(57)【要約】本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、拡張現実ディスプレイシステムに関する。回折格子は、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを含む。回折格子は、加えて、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を含む。異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
2019537061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子であって、前記回折格子は、
光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンと、
前記異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層と
を備え、
前記異なる液晶層は、異なるように整合された液晶分子を有し、それによって、前記異なる回折ゾーンは、光回折に関連付けられた異なる光学性質を有する、回折格子。
【請求項２】
前記光学性質は、屈折率、吸収係数、回折効率および複屈折のうちの１つ以上のものを含む、請求項１に記載の回折格子。
【請求項３】
前記異なる液晶層の各々は、複数の異なるように配列された領域を有し、前記異なるように配列された領域は、互いに対して異なるように整合された液晶分子を有する、請求項１に記載の回折格子。
【請求項４】
前記異なる回折ゾーンの各々は、基板と前記対応する液晶層との間に挿入された整合層をさらに備え、前記異なる回折ゾーンと前記基板との間の異なる整合層は、同一材料組成から形成され、前記異なる整合層は、前記液晶分子が前記異なる回折ゾーン内で異なるように整合されるようにする、請求項１に記載の回折格子。
【請求項５】
前記液晶分子は、伸長され、伸長方向に沿って整合されたカラミチック液晶分子を備えている、請求項１に記載の回折格子。
【請求項６】
前記異なる液晶層の各々は、第１の領域と、第２の領域とを含み、前記第１の領域の液晶分子は、第１の整合方向に沿って整合され、前記第１の整合方向は、基準方向に対して第１の整合角度を形成し、前記第２の領域の液晶分子は、第２の整合方向に沿って整合され、前記第２の整合方向は、前記基準方向に対して第２の整合角度を形成し、前記第２の整合角度は、前記第１の整合角度と異なる、請求項１に記載の回折格子。
【請求項７】
第１の液晶層の第１の領域の液晶分子と第２の液晶層の対応する第１の領域の液晶分子とは、実質的に同一の整合角度を有する、請求項６に記載の回折格子。
【請求項８】
前記第１の液晶層の第２の領域の液晶分子と前記第２の液晶層の対応する第２の領域の液晶分子とは、異なる整合角度を有する、請求項７に記載の回折格子。
【請求項９】
第１の液晶層の第１の領域の液晶分子と第２の液晶層の対応する第１の領域の前記液晶分子とは、実質的に異なる整合角度を有し、前記第１の液晶層の第２の領域の液晶分子と前記第２の液晶層の対応する第２の領域の液晶分子とは、異なる整合角度を有する、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１０】
前記第１の領域と前記第２の領域との間の側方幅の比率は、異なる回折ゾーン間で実質的に同一である、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１１】
第１の液晶層の第２の領域の液晶分子と第２の液晶層の第２の領域の液晶分子とは、実質的に同一の整合角度を有し、前記第１の領域と前記第２の領域との間の側方幅の比率は、異なる回折ゾーン間で実質的に異なる、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１２】
第１の液晶層の第２の領域の液晶分子と第２の液晶層の第２の領域の液晶分子とは、異なる整合角度を有し、前記第１の領域と前記第２の領域との間の側方幅の比率は、異なる回折ゾーン間で実質的に異なる、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１３】
前記第１および第２の整合角度は、事前傾斜角度であり、前記事前傾斜角度は、基板の主要表面と垂直な平面内で、それぞれの整合方向と前記主要表面との間で測定される、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１４】
前記第１および第２の整合角度は、方位角であり、前記方位角は、基板の主要表面と平行な平面内で、それぞれの整合方向と、前記主要表面と平行な基準方向との間で測定される、請求項６に記載の回折格子。
【請求項１５】
前記異なる液晶層は、第１の領域と、第２の領域とを含み、前記第１の領域の液晶分子は、複数の第１の整合方向に沿って整合され、前記複数の第１の整合方向は、基準方向に対して複数の第１の整合角度を形成し、前記第２の領域の液晶分子は、複数の第２の整合方向に沿って整合され、前記複数の第２の整合方向は、前記基準方向に対して複数の第２の整合角度を形成する、請求項３に記載の回折格子。
【請求項１６】
前記回折格子は、透明基板を有する透過回折格子である、請求項１に記載の回折格子。
【請求項１７】
回折格子であって、前記回折格子は、側方方向に延びている複数の連続的な液晶層を備え、前記複数の連続的な液晶層は、周期的に反復する側方寸法、厚さ、および屈折率を有するように配列され、それによって、前記液晶層は、光を回折するように構成され、
前記液晶層の液晶分子は、前記側方方向に沿って異なる液晶層において異なるように配列され、それによって、前記連続的な液晶層は、回折効率において勾配を有する光を回折するように構成されている、回折格子。
【請求項１８】
前記液晶層は、第１の領域と、第２の領域とを有し、前記連続的な液晶層は、複数の第１の領域と複数の第２の領域とが前記側方方向に交互するように配列されている、請求項１７に記載の回折格子。
【請求項１９】
前記第１の領域内の液晶分子は、実質的に同一の整合配向を有する一方、前記第２の領域内の液晶分子は、実質的に異なる整合配向を有する、請求項１８に記載の回折格子。
【請求項２０】
光をユーザの眼に投影することによって拡張現実画像コンテンツを表示するように構成された頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、前記頭部搭載型ディスプレイデバイスは、
ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームと、
前記フレーム上に配置されたディスプレイと
を備え、
前記ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を備え、前記１つ以上の導波管は、透明であり、前記１つ以上の導波管は、前記ユーザが前記頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着しているとき、前記ユーザの眼の正面の場所に配置され、それによって、前記透明部分は、前記ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、前記ユーザの正面の前記環境の前記部分のビューを提供し、前記ディスプレイは、１つ以上の光源と、少なくとも１つの回折格子とをさらに備え、前記少なくとも１つの回折格子は、前記光源からの光を前記１つ以上の導波管の中に結合すること、または、光を前記１つ以上の導波管から外に結合することを行うように構成され、前記回折格子は、
光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンと、
前記異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層と
を備え、
前記異なる液晶層は、異なるように整合された液晶分子を有し、それによって、前記異なる回折ゾーンは、光回折に関連付けられた異なる光学性質を有する、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／４２４，３１０号（２０１６年１１月１８日出願、名称「ＳＰＡＴＩＡＬＬＹ  ＶＡＲＩＡＢＬＥ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＯＮ  ＧＲＡＴＩＮＧＳ」）に対する優先権の利益を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（分野）
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、拡張現実ディスプレイシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連技術の説明）
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、もしくはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであり、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオでは、ＡＲ画像コンテンツは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。
【０００４】
図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写されており、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、コンクリートプラットフォーム１１２０を特徴とする、実世界公園状設定１１００が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、これらの要素１１３０、１１１０が実世界内に存在しないにもかかわらず、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像１１１０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ１１３０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。ヒトの視知覚系は、複雑であって、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生産は、困難である。
【０００５】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲまたはＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（要約）
故に、多数のデバイス、システム、構造、および方法が、本明細書に開示される。例えば、例示的回折格子が、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを含むように開示される。回折格子は、加えて、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を含む。異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
【０００７】
回折格子を加工する例示的方法が、基板を提供することと、複数の異なる回折ゾーンを、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する、基板上に提供することとを含むように開示される。方法はさらに、液晶分子を備えている複数の異なる液晶層を基板にわたって形成することを含み、異なる液晶層は、異なる回折ゾーンに対応し、異なる液晶層を形成することは、液晶分子を異なるように整合させ、それによって、光回折に関連付けられた異なる光学性質を異なる回折ゾーンに提供することを含む。
【０００８】
別の例示的回折格子が、液晶層が光を回折するように構成されるように、側方方向に延び、周期的に反復する側方寸法、厚さ、および屈折率を有するように配列される、複数の連続的な液晶層を含むように開示される。液晶層の液晶分子は、連続的な液晶層が回折効率に勾配を伴って光を回折するように構成されるように、側方方向に沿って、異なる液晶層内で異なるように配列される。
【０００９】
光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、例示的頭部搭載型ディスプレイデバイスも、開示される。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームを含む。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、フレーム上に配置されたディスプレイを含み、該ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を備え、該１つ以上の導波管は、透明であり、該透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の該部分のビューを提供するように、ユーザが該頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置され、該ディスプレイはさらに、１つ以上の光源と、光源からの光を該１つ以上の導波管の中に結合する、または光を該１つ以上の導波管から外に結合させるように構成される、少なくとも１つの回折格子とを備えている。回折格子は、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを含む。回折格子は、加えて、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を含み、異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
【図２】図２は、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
【図３】図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。
【図４】図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
【図５】図５Ａ−５Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
【図６】図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
【図７】図７は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
【図８】図８は、各深度平面が複数の異なる原色を使用して形成される画像を含むスタックされた導波管アセンブリの実施例を図示する。
【図９Ａ】図９Ａは、各々が内部結合光学要素を含むスタックされた導波管の組の実施例の断面側面図を図示する。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図を図示する。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の見下げ平面図を図示する。
【図１０】図１０Ａ−１０Ｃは、実施形態による、液晶分子が異なる事前傾斜角度を有するゾーンを有する回折格子の断面側面図を図示する。
【図１１】図１１Ａ−１１Ｂは、実施形態による、図１０Ａ−１０Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図である。
【図１２】図１２Ａ−１２Ｃは、実施形態による、図１０Ａ−１０Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図である。
【図１３】図１３Ａ−１３Ｂは、実施形態による、液晶分子が異なる事前傾斜角度を有するゾーンを有する回折格子の断面側面図を図示する。
【図１４】図１４Ａ−１４Ｂは、実施形態による、図１３Ａ−１３Ｂに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図である。
【図１５】図１５Ａ−１５Ｃは、実施形態による、液晶分子が異なる方位角を有するゾーンを有する、回折格子の見下げ平面図を図示する。
【図１６Ａ】図１６Ａは、実施形態による、液晶分子が異なる方位角を有するゾーンを有する回折格子の見下げ平面図を図示する。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６Ａに図示される回折格子の異なるゾーンを横断した側方方向における方位角の変動を図示する、概略グラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａ−１７Ｄは、実施形態による、図１５Ａ−１５Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１７Ｂ】図１７Ａ−１７Ｄは、実施形態による、図１５Ａ−１５Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１７Ｃ】図１７Ａ−１７Ｄは、実施形態による、図１５Ａ−１５Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１７Ｄ】図１７Ａ−１７Ｄは、実施形態による、図１５Ａ−１５Ｃに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１７Ｅ】図１７Ｅは、実施形態による、図１７Ｄに図示される回折格子の見下げ平面図を図示する。
【図１８Ａ】図１８Ａ−１８Ｃは、実施形態による、図１６Ａに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１８Ｂ】図１８Ａ−１８Ｃは、実施形態による、図１６Ａに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１８Ｃ】図１８Ａ−１８Ｃは、実施形態による、図１６Ａに図示される回折格子を加工する方法を図示する、中間構造および回折格子の断面側面図を図示する。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、実施形態による、図１８Ｃに図示される回折格子の見下げ平面図を図示する。
【図１９】図１９Ａ−１９Ｂは、実施形態による、液晶分子が異なるキラリティを有するゾーンを有する回折格子の見下げおよび断面側面図を図示する。
【図２０】図２０は、実施形態による、液晶分子が異なるキラリティを有するゾーンを有する回折格子の断面側面図である。
【図２１】図２１は、実施形態による、液晶分子が異なる液晶材料から形成されるゾーンを有する、回折格子の断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（詳細な説明）
ＡＲシステムは、依然として、ユーザがその周囲の世界を見えることを可能にしながら、仮想コンテンツをユーザまたは視認者に表示し得る。好ましくは、本コンテンツは、例えば、アイウェアの一部として、画像情報をユーザの眼に投影する、頭部搭載型ディスプレイ上に表示される。加えて、ディスプレイはまた、周囲環境からの光をユーザの眼に透過し、その周囲環境のビューをもたらし得る。本明細書で使用されるように、「頭部搭載型」ディスプレイは、視認者の頭部上に搭載され得る、ディスプレイであることを理解されたい。
【００１２】
ここで、図面を参照するが、同様の参照番号は、全体を通して同様の部分を指す。
【００１３】
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム８０の実施例を図示する。ディスプレイシステム８０は、ディスプレイ６２と、そのディスプレイ６２の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールならびにシステムとを含む。ディスプレイ６２は、フレーム６４に結合され得、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者６０によって装着可能であり、ディスプレイ６２をユーザ６０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ６２は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ６６が、フレーム６４に結合され、ユーザ６０の外耳道に隣接して位置付けられる（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、ユーザの他の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／調節可能音制御を提供する）。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン６７または他のデバイスを含み、音を検出し得る。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが、入力またはコマンド（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）をシステム８０に提供することを可能にするように構成され、および／または他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にし得る。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータを持続的に収集し得る（例えば、ユーザおよび／または環境から受動的に収集するため）。そのようなオーディオデータは、荒い息づかい等のユーザ音または近傍イベントを示す大騒動等の環境音を含み得る。ディスプレイシステムはまた、周辺センサ３０ａを含み得、これは、フレーム６４と別個であり、ユーザ６０の身体（例えば、ユーザ６０の頭部、胴体、四肢等上）に取り付けられ得る。周辺センサ３０ａは、本明細書にさらに説明されるように、いくつかの実施形態では、ユーザ６０の生理学的状態を特性評価するデータを入手するように構成され得る。例えば、センサ３０ａは、電極であり得る。
【００１４】
図２を継続して参照すると、ディスプレイ６２は、有線導線または無線接続性等の通信リンク６８によって、ローカルデータ処理モジュール７０に動作可能に結合され、これは、フレーム６４に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホン内に内蔵される、または別様に、ユーザ６０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成、ベルト結合式構成において）等、種々の構成において搭載され得る。同様に、センサ３０ａは、通信リンク３０ｂ、例えば、有線導線または無線接続性によって、ローカルプロセッサおよびデータモジュール７０に動作可能に結合され得る。ローカル処理およびデータモジュール７０は、ハードウェアプロセッサと、不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリとを備え得、両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用され得る。データは、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等のセンサ（例えば、フレーム６４に動作可能に結合される、または別様に、ユーザ６０に取り付けられ得る）から捕捉され、および／またはｂ）場合によっては、処理もしくは読出後に、ディスプレイ６２の通過のために、遠隔処理モジュール７２および／または遠隔データリポジトリ７４（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して入手ならびに／もしくは処理される、データを含む。ローカル処理およびデータモジュール７０は、これらの遠隔モジュール７２、７４が、互いに動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール７０へのリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンク等を介して、通信リンク７６、７８によって、遠隔処理モジュール７２および遠隔データリポジトリ７４に動作可能に結合され得る。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール７０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープのうちの１つ以上のものを含み得る。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つ以上のものは、フレーム６４に取り付けられ得る、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール７０と通信する、独立型構造であり得る。
【００１５】
図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール７２は、データおよび／または画像情報を分析ならびに処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備え得る。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、デジタルデータ記憶設備を備え得、これは、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であり得る。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、１つ以上の遠隔サーバを含み得、これは、情報、例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール７０および／または遠隔処理モジュール７２に提供する。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュールにおいて実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。
【００１６】
「３次元」または「３−Ｄ」であるような画像の知覚は、画像の若干異なる提示を視認者の各眼に提供することによって達成され得る。図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。眼４、６毎に１つの２つの明確に異なる画像５、７が、ユーザに出力される。画像５、７は、視認者の視線と平行な光学またはｚ−軸に沿って、距離１０だけ眼４、６から離間される。画像５、７は、平坦であって、眼４、６は、単一遠近調節状態をとることによって、画像に合焦させ得る。そのようなシステムは、ヒト視覚系が、画像５、７を組み合わせ、組み合わせられた画像のための深度〜／またはスケールの知覚を提供することに依拠する。
【００１７】
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚の提供は、より困難であることを理解されたい。例えば、従来の「３−Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムを不快であると見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、両眼離反運動と遠近調節の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」であると知覚し得ると考えられる。互いに対する２つの眼の両眼離反運動移動（すなわち、瞳孔が、互いに向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼のレンズおよび瞳孔の合焦（または「遠近調節」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼のレンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節−両眼離反運動反射」ならびに散瞳または縮瞳として知られる関係下、両眼離反運動の整合変化を自動的に同一距離に生じさせるであろう。同様に、両眼離反運動の変化は、通常条件下、レンズ形状および瞳孔サイズの遠近調節の整合変化を誘起するであろう。本明細書に記載されるように、多くの立体視、すなわち、「３−Ｄ」ディスプレイシステムは、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を各眼に表示する。しかしながら、そのようなシステムは、それらが、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全ての画像情報を単一遠近調節状態で視認する状態では、「遠近調節−両眼離反運動反射」に反発するため、多くの視認者にとって不快である。遠近調節と両眼離反運動との間のより良好な整合を提供する、ディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し、増加された持続時間の装着、ひいては、診断および療法プロトコルへのコンプライアンスに寄与し得る。
【００１８】
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図４を参照すると、ｚ−軸上の眼４、６から種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼４、６によって遠近調節される。眼（４および６）は、特定の遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ−軸に沿った異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、眼がその深度平面のための遠近調節状態にあるとき、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面１４の特定のうちの１つに関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼４、６毎に、画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって、シミュレートされ得る。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼４、６の視野は、例えば、ｚ−軸に沿った距離が増加するにつれて、重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
【００１９】
オブジェクトと眼４または６との間の距離も、その眼によって視認されるように、オブジェクトからの光の発射量を変化させ得る。図５Ａ−５Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼４との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図５Ａ−５Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成される明視野は、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率が増加すると、オブジェクトと眼４の間の距離が減少する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散の程度もまたは、異なり、発散の程度は、深度平面と視認者の眼４との間の距離の減少に伴って増加する。単眼４のみが、図５Ａ−５Ｃおよび本明細書における他の図では、例証を明確にするために図示されるが、眼４に関する議論は、視認者の両眼４および６に適用され得ることを理解されたい。
【００２０】
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。異なる提示は、視認者の眼によって別個に合焦され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または焦点外にある異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度キューを提供することに役立ち得る。
【００２１】
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム１０００は、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０を使用して３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ１１７８を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００は、図２のシステム８０であって、図６は、そのシステム８０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ１１７８は、図２のディスプレイ６２の一部であり得る。ディスプレイシステム１０００は、いくつかの実施形態では、明視野ディスプレイと見なされ得ることを理解されたい。
【００２２】
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ１１７８はまた、複数の特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２を導波管間に含み得る。いくつかの実施形態では、特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、１つ以上のレンズであり得る。導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０および／または複数のレンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて画像情報を眼に送信するように構成され得る。各導波管レベルは、特定の深度平面に関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成され得る。画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、導波管のための光源として機能し得、画像情報を導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入するために利用され得、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼４に向かって出力のために各それぞれの導波管を横断して入射光を分散させるように構成され得る。光は、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８の出力表面１３００、１３０２、１３０４、１３０６、１３０８から出射し、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の対応する入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０の各々は、対応する導波管の縁であり得る、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界１１４４または視認者の眼４に直接面する導波管表面のうちの１つ）であり得る。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力し得、これは、特定の導波管に関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼４に向かって指向される。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０に関連付けられ、その中に光を投入し得る。
【００２３】
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８の各々は、それぞれ対応する導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中への投入のために画像情報を生産する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含み得ることを理解されたい。
【００２４】
いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光は、光プロジェクタシステム２０００によって提供され、これは、光モジュール２０４０を備え、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含み得る。光モジュール２０４０からの光は、ビームスプリッタ２０５０を介して、光変調器２０３０、例えば、空間光変調器によって指向および修正され得る。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成され得る。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成され得る。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に、最終的には、視認者の眼４に投影するように構成される、１つ以上の走査ファイバを備えている、走査ファイバディスプレイであり得る。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、光を１つまたは複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入するように構成される、単一走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０のうちの関連付けられた１つの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール２０４０から１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０に透過するように構成され得ることを理解されたい。１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に再指向し得ることを理解されたい。
【００２６】
コントローラ１２１０は、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８、光源２０４０、および光変調器２０３０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ１１７８のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ１２１０は、ローカルデータ処理モジュール７０の一部である。コントローラ１２１０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一一体型デバイスまたは有線もしくは無線通信チャネルによって接続される分散型システムであり得る。コントローラ１２１０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール７０または７２（図１）の一部であり得る。
【００２７】
図６を継続して参照すると、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各それぞれの導波管内で光を伝搬するように構成され得る。導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の各々は、主要な上部および底部表面ならびにそれらの主要上部表面と底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有し得る。図示される構成では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の各々は、光を再指向させ、各それぞれの導波管内で伝搬させ、導波管から画像情報を眼４に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０を含み得る。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、外部結合光学要素光はまた、光抽出光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力される。外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であり得る。説明を容易にし、図面を明確にするために、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、本明細書にさらに議論されるように、上部および／または底部主要表面に配置され得、ならびに／もしくは導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の容積内に直接配置され得る。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、透明基板に取り付けられ、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０を形成する、材料の層内に形成され得る。いくつかの他の実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、モノリシック材料部品であり得、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成され得る。
【００２８】
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管１１８２は、眼４にコリメートされた光（そのような導波管１１８２の中に投入された）を送達するように構成され得る。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管１１８４は、眼４に到達し得る前に、第１のレンズ１１９２（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成され得る。そのような第１のレンズ１１９２は、眼／脳が、その次の上方の導波管１１８４から生じる光を光学無限遠から眼４に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成され得る。同様に、第３の上方の導波管１１８６は、眼４に到達する前に、その出力光を第１の１１９２および第２の１１９４レンズの両方を通して通過させる。第１の１１９２および第２の１１９４レンズの組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管１１８６から生じる光が次の上方の導波管１１８４からの光であった光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成され得る。
【００２９】
他の導波管層１１８８、１１９０およびレンズ１１９６、１１９８も同様に構成され、スタック内の最高導波管１１９０は、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ１１７８の他側の世界１１４４から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２のスタックを補償するために、補償レンズ層１１８０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック１１９８、１１９６、１１９４、１１９２の集約力を補償し得る。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であり得る（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であり得る。
【００３０】
いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０のうちの２つ以上のものは、同一の関連付けられた深度平面を有し得る。例えば、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０が、同一深度平面に設定される画像を出力するように構成され得る、または導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の複数の一部が、深度平面毎に１つの組を伴う、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成され得る。これは、それらの深度平面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。
【００３１】
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、導波管に関連付けられた特定の深度平面のために、光をそのそれぞれの導波管から再指向し、かつこの光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成され得る。その結果、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０の異なる構成を有し得、これは、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、体積または表面特徴であり得、これは、具体的角度で光を出力するように構成され得る。例えば、光抽出光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、体積ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であり得る。いくつかの実施形態では、特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサ（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）であり得る。
【００３２】
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、回折パターンまたは「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）を形成する、回折特徴である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差点を用いて眼４に向かって偏向される一方、残りが全内部反射を介して、導波管を通して移動し続けるように、十分に低回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼４に向かって非常に均一パターンの出射放出となる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切り替え可能であり得る。例えば、切り替え可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備え得、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合するように切り替えられ得る（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに整合しない屈折率に切り替えられ得る（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
【００３４】
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００（例えば、可視光および赤外線光カメラを含む、デジタルカメラ）が、提供され、眼４および／または眼４の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出し、／またはユーザの生理学的状態を監視し得る。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであり得る。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００は、画像捕捉デバイスと、光（例えば、赤外線光）を眼に投影し、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る、光源とを含み得る。いくつかの実施形態では、カメラアセンブ５００は、フレーム６４（図２）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ５００からの画像情報を処理し、例えば、本明細書に議論されるように、ユーザの生理学的状態に関する種々の決定を行い得る、処理モジュール７０および／または７２と電気通信し得る。ユーザの生理学的状態に関する情報は、ユーザの挙動または感情状態を決定するために使用され得ることを理解されたい。そのような情報の実施例は、ユーザの移動および／またはユーザの顔の表情を含む。ユーザの挙動または感情状態は、次いで、挙動または感情状態、生理学的状態、および環境または仮想コンテンツデータ間の関係を決定するように、収集された環境および／または仮想コンテンツデータで三角測量され得る。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ５００が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視し得る。
【００３５】
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例を示す。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ１１７８（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ１１７８は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光４００が、導波管１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入され、ＴＩＲによって導波管１１８２内を伝搬する。光４００がＤＯＥ１２８２上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。出射ビーム４０２は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管１１８２に関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビーム形成）において眼４に伝搬するように再指向され得る。略平行出射ビームは、眼４からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素の組は、より発散する、出射ビームパターンを出力し得、これは、眼４がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼４に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【００３６】
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平面において形成され得る。図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。図示される実施形態は、深度平面１４ａ−１４ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度も、検討される。各深度平面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像を含む、それに関連付けられた３つ以上の原色画像を有し得る。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度平面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度平面の正確な場所は、変動し得る。例えば、所与の深度平面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度平面上に設置され得る。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得、および／または色収差を減少させ得る。
【００３７】
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力され得、その結果、各深度平面は、それに関連付けられた複数の導波管を有し得る。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度平面毎に提供され得、３つの原色画像が、深度平面毎に提供される。各深度平面に関連付けられた導波管は、本図面では、説明を容易にするために互いに隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックで配列され得ることを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力され得る。
【００３８】
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長に関連付けられた他の色も、赤色、緑色、もしくは青色のうちの１つ以上のものに加えて使用され得る、またはそれらに取って代わり得る。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、および１９２は、視認者の眼への周囲環境からの光を選択的に遮断するように構成される、能動または受動光学フィルタであり得る。
【００３９】
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、視認者によってその所与の色であるように知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含するものと理解されるであろうことを認識されたい。例えば、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得る。
【００４０】
いくつかの実施形態では、光源２０４０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成され得る。加えて、ディスプレイ１０００の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、この光をディスプレイからユーザの眼４に向かって指向および放出するように構成され得る。
【００４１】
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用され得る。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数またはセット１２００のスタックされた導波管の実施例の断面側面図を図示する。導波管の各々は、１つ以上の異なる波長または１つ以上の異なる波長範囲の光を出力するように構成され得る。スタック１２００は、スタック１１７８（図６）に対応し得、スタック１２００の図示される導波管は、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の一部に対応し得るが、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のうちの１つ以上のものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを理解されたい。
【００４２】
スタックされた導波管の図示されるセット１２００は、導波管１２１０、１２２０、および１２３０を含む。各導波管は、関連付けられた内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素１２１２は、導波管１２１０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素１２２４は、導波管１２２０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素１２３２は、導波管１２３０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２のうちの１つ以上のものは、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置され得る（特に、１つ以上の内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置され得、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の本体内に配置され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、他の光の波長を透過しながら、１つ以上の光の波長を選択的に再指向するような波長選択的である。そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３２の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、いくつかの実施形態では、そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の他の面積内に配置され得ることを理解されたい。
【００４３】
図示されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、相互から側方にオフセットされ得る。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過せずに、光を受光するようにオフセットされ得る。例えば、各内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８から受光するように構成され得、光を内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２の他のものから実質的に受光しないように、他の内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２から分離され得る（例えば、側方に離間される）。
【００４４】
各導波管はまた、関連付けられた光分散要素を含み、例えば、光分散要素１２１４は、導波管１２１０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素１２１４は、導波管１２２０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素１２３４は、導波管１２３０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置され得る。いくつかの他の実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の上部および底部両方の主要表面上に配置され得る、または光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０内の上部および底部主要表面の異なるもの上に配置され得る。
【００４５】
導波管１２１０、１２２０、１２３０は、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって離間ならびに分離され得る。例えば、図示されるように、層１２１８ａは、導波管１２１０および１２２０を分離し得、層１２１８ｂは、導波管１２２０および１２３０を分離し得る。いくつかの実施形態では、層１２１８ａおよび１２１８ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管１２１０、１２２０、１２３０の直近のものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料の屈折率は、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料の屈折率を０．０５もしくはそれを上回って、または０．１０もしくはそれを下回る。有利には、より低い屈折率層１２１８ａ、１２１８ｂは、導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能し得る。いくつかの実施形態では、層１２１８ａ、１２１８ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット１２００の上部および底部は、直近クラッディング層を含み得ることを理解されたい。
【００４６】
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、類似または同一であって、層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なり得る、および／または層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なり得る。
【００４７】
図９Ａを継続して参照すると、光線１２４０、１２４２、１２４４が、導波管の組１２００に入射する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、１つ以上の画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８（図６）によって導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に投入され得ることを理解されたい。
【００４８】
いくつかの実施形態では、光線１２４０、１２４２、１２４４は、異なる色に対応し得る、異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素１２１２、１２２、１２３２の各々は、光がＴＩＲによって導波管１２１０、１２２０、１２３０のうちのそれぞれの１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。
【００４９】
例えば、内部結合光学要素１２１２は、第１の波長または波長範囲を有する、光線１２４０を偏向させるように構成され得る。同様に、透過される光線１２４２は、第２の波長または波長範囲の光を偏向させるように構成される、内部結合光学要素１２２２に衝突し、それによって偏向される。同様に、光線１２４４は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素１２３２によって偏向される。
【００５０】
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線１２４０、１２４２、１２４４は、対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、光をその対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に偏向させ、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、光をＴＩＲによってそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線１２４０、１２４２、１２４４は、導波管の対応する光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突するまで、ＴＩＲによってそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬する。
【００５１】
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。前述のように、内部結合された光線１２４０、１２４２、１２４４は、それぞれ、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管１２１０、１２２０、１２３０内でＴＩＲによって伝搬する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、次いで、それぞれ、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突する。光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に向かって伝搬するように、光線１２４０、１２４２、１２４４を偏向させる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に偏向または分散させることと、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、この光のビームまたはスポットサイズを増加させることの両方を行う。いくつかの実施形態では、例えば、ビームサイズがすでに所望のサイズである場合、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、省略され得、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、光を直接外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に偏向させるように構成され得る。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４と置換され得る。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４は、光を視認者の眼４（図７）内に指向する、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。
【００５３】
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管の組１２００は、原色毎に、導波管１２１０、１２２０、１２３０と、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２１４、１２２４、１２３４と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０、１２５２、１２５４とを含む。導波管１２１０、１２２０、１２３０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされ得る。内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる（異なる内部結合光学要素は、異なる波長の光を受光する）。光は、次いで、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０内でＴＩＲをもたらすであろう、角度で伝搬する。示される実施例では、光線１２４０（例えば、青色光）は、先に説明された様式において、第１の内部結合光学要素１２１２によって偏向され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２１４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０と相互作用する。光線１２４２および１２４４（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管１２１０を通して通過し、光線１２４２は、内部結合光学要素１２２２に衝突し、それによって偏向される。光線１２４２は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管１２２０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２２４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５２に進む。最後に、光線１２４４（例えば、赤色光）は、導波管１２２０を通して通過し、導波管１２３０の光内部結合光学要素１２３２に衝突する。光内部結合光学要素１２３２は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２３４に、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５４に伝搬するように、光線１２４４を偏向させる。外部結合光学要素１２５４は、次いで、最後に、光線１２４４を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管１２１０、１２２０から外部結合された光も受光する。
【００５４】
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の見下げ平面図を図示する。図示されるように、導波管１２１０、１２２０、１２３０は、各導波管の関連付けられた光分散要素１２１４、１２２４、１２３４および関連付けられた外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４とともに、垂直に整合され得る。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、見下げ図に見られるように、側方に離間される）。本明細書でさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。
（空間可変液晶回折格子）
【００５５】
図６および７を参照して上で説明されるように、本明細書に説明される種々の実施形態によるディスプレイシステムは、外部結合光学要素（例えば、図６における光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０）を含み得、これは、回折格子を含み得る。図７を参照して上で説明されるように、導波管１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入される、光４００は、全内部反射（ＴＩＲ）によって導波管１１８２内を伝搬する。図７に戻って参照すると、光４００が外部結合光学要素１２８２上に衝突する点において、光の一部が、導波管から出射ビーム４０２として出射する。いくつかの実装では、回折性質を含む空間可変光学性質を有する、回折格子として構成される光学要素１２８２を有することが望ましくあり得る。そのような構成は、例えば、導波管１１８２内を伝搬するにつれて、光の強度が実質的に減衰するとき、望ましくあり得る。そのような状況下では、出射ビーム４０２の強度の均一性が改良されるように、光伝搬方向に沿って変動する、格子１２８２のある回折特性、例えば、回折効率（回折されるビーム強度と入射ビーム強度の比率）または屈折率を有することが望ましくあり得る。そのような構成はまた、例えば、光強度を格子１２８２を横断して意図的に歪曲させ、ヒトの眼に関連付けられた感知効率の空間および／または角度変動に適合させ、ユーザ体験を最大限にするために望ましくあり得る。したがって、外部結合光学要素、例えば、回折格子は、空間可変光学特性を有する必要がある。
【００５６】
いくつかの用途に関して、段階的な回折性質が、例えば、半導体処理技術を使用することによって、格子の周期的構造を構造的に変動させることによって、達成されることができる。例えば、半導体エッチング技術が、格子を溶融シリカ等の剛性基板材料の中にホログラフィック的にパターン化するために使用されることができる。空間可変エッチングプロファイルによって、例えば、対応して、空間可変デューティサイクルまたは格子深度が、生産されることができる。しかしながら、そのようなアプローチは、多くの場合、比較的に複雑かつ高価なプロセス、例えば、複数のエッチングプロセスを伴う。したがって、比較的に単純処理技術を用いて加工され得る、空間可変光学性質を伴う回折格子が、有益であり得る。この目的を達成するために、本明細書に開示される種々の実施形態によると、液晶材料が、例えば、液晶分子の空間可変整合特性または他の材料性質によって、回折格子の面積を横断して回折特性を空間的に変動させるために使用される。種々の実施形態では、光重合化可能液晶材料または反応性メソゲンが、回折格子の回折特性を空間的に変動させるために使用される。例えば、格子の異なる面積を液晶材料でコーティングし、その性質、例えば、整合性質を空間的に変動させることによって、空間可変回折性質が、生成されることができる。
【００５７】
以下では、液晶（ＬＣ）格子の種々の実施形態は、回折効率を含む可変回折性質等の可変光学性質、例えば、勾配光学性質を有する。概して、回折格子は、周期的構造を有し、これは、光を異なる方向に進行するいくつかのビームに分裂および回折させる。これらのビームの方向は、とりわけ、周期的構造の周期および光の波長に依存する。格子の面積を横断して空間的に変動する、ある光学性質、例えば、空間可変回折効率を達成するために、出射する光ビーム４０２の均一強度を有する、外部結合光学要素２８２等のある用途に関して、液晶の材料性質は、空間的に変動されることができる。
【００５８】
概して、液晶は、従来の流体と固体との間の中間であり得る、物理的性質を保有する。液晶は、いくつかの側面では、流体状であるが、大部分の流体と異なり、それら内の分子の配列は、いくつかの構造秩序を呈する。異なるタイプの液晶は、サーモトロピック、リオトロピック、およびポリマー液晶を含む。本明細書に開示されるサーモトロピック液晶は、ネマチック状態／位相、スメクチック状態／位相、キラルネマチック状態／位相、またはキラルスメクチック状態／位相を含む、種々の物理的状態、例えば、位相に実装されることができる。
【００５９】
本明細書に説明されるように、ネマチック状態または位相における液晶は、比較的に少ない位置秩序を有する一方、その長軸が略平行である状態で長距離指向性秩序を有する、カラミチック（棒形状）またはディスコチック（円板形状）有機分子を有することができる。したがって、有機分子は、依然として、その長距離指向性秩序を維持しながら、その質量中心位置が液体中におけるようにランダムに分散された状態で自由に流動し得る。いくつかの実装では、ネマチック位相における液晶は、一軸性であり得る。すなわち、液晶は、より長くかつ好ましい１つの軸を有し、他の２つは、ほぼ同等である。他の実装では、液晶は、二軸性であり得る。すなわち、その長軸の配向に加え、液晶はまた、二次軸に沿って配向され得る。
【００６０】
本明細書に説明されるように、スメクチック状態または位相における液晶は、互いにわたって摺動し得る比較的に明確に画定された層を形成する、有機分子を有することができる。いくつかの実装では、スメクチック位相における液晶は、１つの方向に沿って位置的に秩序付けられることができる。いくつかの実装では、分子の長軸は、液晶層の平面に対して略法線の方向に沿って配向されることができる一方、他の実装では、分子の長軸は、層の平面に対して略法線の方向に対して傾斜され得る。
【００６１】
本明細書に説明されるように、ネマチック液晶は、棒状分子から成り、近傍分子の長軸は、互いに近似的に整合される。この異方性構造を説明するために、配向子と呼ばれる、無次元単位ベクトルｎが、液晶分子の好ましい配向の方向を説明するために使用され得る。
【００６２】
本明細書に説明されるように、ネマチック状態またはスメクチック状態における液晶はまた、キラリティを呈することができる。キラル位相では、液晶は、配向子と垂直な分子の捻転を呈することができ、分子軸は、配向子と平行である。隣接する分子間の有限捻転角度は、その非対称充塞に起因し、これは、より長距離のキラル秩序をもたらす。
【００６３】
本明細書に説明されるように、キラルスメクチック状態または位相における液晶は、分子が位置秩序を層化構造内に有するように構成されることができ、分子は、層法線に対してある有限角度によって傾斜される。加えて、キラリティは、１つの層から次の層へと連続方位角捻転を誘発し、分子軸の螺旋捻転を層法線に沿って生産することができる。
【００６４】
本明細書に説明されるように、キラリティを示す液晶は、キラルピッチｐを有するものとして説明され得、これは、液晶分子が完全３６０°捻転を受ける距離を指し得る。ピッチｐは、温度が改変されると、または他の分子が液晶ホストに添加されると（アキラル液体ホスト材料は、キラル材料でドープされる場合、キラル位相を形成し得る）、変化し、適宜、所与の材料のピッチが調整されることを可能にし得る。いくつかの液晶システムでは、ピッチは、可視光の波長と同一秩序である。本明細書に説明されるように、キラリティを示す液晶はまた、捻転角度を有するものとして説明され得、これは、例えば、液晶材料の厚さを横断した最上液晶分子と最下液晶分子との間の相対的方位角回転を指し得る。
【００６５】
本明細書に説明される種々の実施形態によると、上で説明されるような種々の状態または位相を有する、液晶は、例えば、複屈折、光学異方性、および薄膜プロセスを使用した製造可能性を含む、回折格子のための種々の望ましい材料性質をもたらすように構成されることができる。例えば、液晶層の表面条件を変化させ、および／または異なる液晶材料を混合することによって、空間可変回折性質、例えば、勾配回折効率を呈する、格子構造が、加工されることができる。
【００６６】
本明細書に説明されるように、「重合化可能液晶」は、重合される、例えば、原位置で光重合され得、また、本明細書では、反応性メソゲン（ＲＭ）として説明され得る、液晶材料を指し得る。
【００６７】
液晶分子は、いくつかの実施形態では、重合化可能であり得、いったん重合されると、他の液晶分子と大規模な網状体を形成し得ることを理解されたい。例えば、液晶分子は、化学結合または化学種を他の液晶分子に連結することによって、連結され得る。いったんともに継合されると、液晶分子は、ともに連結される前と実質的に同一配向および場所を有する、液晶ドメインを形成し得る。説明を容易にするために、用語「液晶分子」は、本明細書では、重合化前の液晶分子と、重合化後のこれらの分子によって形成される液晶ドメインの両方を指すために使用される。
【００６８】
本明細書に説明される特定の実施形態によると、光重合化可能液晶材料は、回折格子を形成するように構成されることができ、複屈折、キラリティ、および複数のコーティングの容易性を含む、その材料性質は、これらの材料性質（例えば、複屈折、キラリティ、および厚さ）の変化が、適宜、回折効率の変動をもたらすため、段階的な回折効率を伴う格子を作成するために利用されることができる。
【００６９】
本明細書に説明されるように、「透過」または「透明」構造、例えば、透明基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、または５０％が、それを通して通過することを可能にし得ることを理解されたい。故に、透明基板は、いくつかの実施形態では、ガラス、サファイア、またはポリマー基板であり得る。対照的に、「反射」構造、例えば、反射基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、９０％、またはそれを上回るものを反射させ、そこから反射させ得る。
【００７０】
格子の光学性質は、格子の物理的構造（例えば、周期性、深度、およびデューティサイクル）ならびに格子の材料性質（例えば、屈折率、吸収率、および複屈折）によって決定される。液晶が、使用されるとき、格子の光学性質は、例えば、液晶材料の分子配向または分布を制御することによって制御されることができる。例えば、格子面積を横断して液晶材料の分子配向または分布を変動させることによって、格子は、段階的な回折効率を呈し得る。そのようなアプローチは、図を参照して以下に説明される。
【００７１】
種々の実施形態では、回折格子は、基板と、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンとを備えている。回折格子はさらに、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を備え、異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
（光整合された空間可変液晶回折格子）
【００７２】
図１０Ａ−１０Ｃを参照すると、いくつかの実施形態による、回折格子１００Ａ−１００Ｃの断面側面図（ｘ−ｚ平面に沿って見られる）が、図示される。それぞれ回折格子１００Ａ−１００Ｃは、基板１０４と、複数の回折ゾーン、すなわち、図１０Ａに図示されるように、回折ゾーン１０８Ａ−１、１０８Ａ−２、・・・および１０８Ａ−ｎと、図１０Ｂに図示されるように、回折ゾーン１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２、・・・および１０８Ｂ−ｎと、図１０Ｃに図示されるように、回折ゾーン１０８Ｃ−１、１０８Ｃ−２、・・・および１０８Ｃ−ｎとを備えている。
【００７３】
回折格子１００Ａ−１００Ｃのそれぞれの回折ゾーンは、周期的に反復する側方寸法または格子周期∧を有し、液晶分子１１２から形成される対応する液晶層を含む。図示される実施形態では、本開示全体を通して、液晶分子１１２は、液晶分子の他の可能性として考えられる状態の中でもとりわけ、ネマチック状態またはスメクチック状態もしくはその混合物であり得る。図示される実施形態では、全体を通して、種々の実施形態は、複数の回折ゾーンが可視光を回折するように構成されるように、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約２０００ｎｍ、または約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの格子周期∧を有することができる。
【００７４】
回折格子１００Ａの回折ゾーン１０８Ａ−１、１０８Ａ−２、…１０８Ａ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１１６Ａ−１、１１６Ａ−２、…１１６Ａ−ｎを有し、回折格子１００Ｂの回折ゾーン１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２、…１０８Ｂ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１１６Ｂ−１、１１６Ｂ−２、…１１６Ｂ−ｎを有し、回折格子１００Ｃの回折ゾーン１０８Ｃ−１、１０８Ｃ−２、…１０８Ｃ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１１６Ｃ−１、１１６Ｃ−２、および１１６Ｃ−ｎを有する。
【００７５】
本明細書の全体を通して、「ｎ」は、異なるゾーンの数を表すために好適な整数であり得ることを理解されたい。例えば、回折ゾーン１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２、…１０８Ｂ−ｎは、ｎ個の数の回折ゾーンが存在し得ることを示し、ｎは、整数である。図から省略される回折ゾーンの数（ｎ）は、例えば、１〜約５００、約１〜約２００、または約１〜約１００であり得る。いくつかの実装では、回折格子の光学性質は、表面を横断して持続的に変動することができる。一実装では、例えば、回折ゾーンのうちの少なくともいくつかに関して、回折ゾーンあたり１つの格子周期∧が存在し得る。各回折ゾーンが、１つの格子周期∧を有するとき、回折ゾーンの数（ｎ）は、格子周期∧の数を表し得る。
【００７６】
本明細書全体を通して、「…」は、図に示されるとき、連続的に接続され、任意の他の隣接して図示されるゾーンと類似または同一であり得る、図示されるゾーン間の追加の回折ゾーンの存在を表し得ることを理解されたい。加えて、「…」はまた、任意の好適な回数だけ周期的に反復する、回折ゾーンの配列を表し得る。
【００７７】
回折格子１００Ａの液晶層１１６Ａ−１、１１６Ａ−２、および１１６Ａ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１１６Ａ−１Ｌおよび１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｌおよび１１６Ａ−２Ｒ、…ならびに１１６Ａ−ｎＬおよび１１６Ａ−ｎＲを有する。同様に、回折格子１００Ｂの液晶層１１６Ｂ−１、１１６Ｂ−２、および１１６Ｂ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１１６Ｂ−１Ｌおよび１１６Ｂ−１Ｒ、１１６Ｂ−２Ｌおよび１１６Ｂ−２Ｒ、…ならびに１１６Ｂ−ｎＬおよび１１６Ｂ−ｎＲを有する。同様に、回折格子１００Ｃの液晶層１１６Ｃ−１、１１６Ｃ−２、および１１６Ｃ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１１６Ｃ−１Ｌおよび１１６Ｃ−１Ｒ、１１６Ｃ−２Ｌおよび１１６Ｃ−２Ｒ、…ならびに１１６Ｃ−ｎＬおよび１１６Ｃ−ｎＲを有する。領域は、時として、液晶分子のドメインとも称される。
【００７８】
依然として、図１０Ａ−１０Ｃを参照すると、異なる回折ゾーンの各々はさらに、基板１０４と対応する液晶層との間に挿入された整合層１２０を備え、整合層は、各ゾーンの異なる領域内の液晶分子の整合を誘発するように構成される。図１０Ａの基板１０４と回折格子１００Ａの第１／第２の回折領域１１６Ａ−１Ｌ／１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｌ／１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＬ／１１６Ａ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１および第２の整合層１２０Ａ−１Ｌ／１２０Ａ−１Ｒ、１２０Ａ−２Ｌ／１２０Ａ−２Ｒ、・・・および１２０Ａ−ｎＬ／１２０Ａ−ｎＲである。同様に、図１０Ｂの基板１０４と回折格子１００Ｃの第１／第２の回折領域１１６Ｂ−１Ｌ／１１６Ｂ−１Ｒ、１１６Ｂ−２Ｒ／１１６Ｂ−２Ｒ、・・・および１１６Ｂ−ｎＬ／１１６Ｂ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１／第２の整合層１２０Ｂ−１Ｌ／１２０Ｂ−１Ｒ、１２０Ｂ−２Ｌ／１２０Ｂ−２Ｒ、・・・および１２０Ｂ−ｎＬ／１２０Ｂ−ｎＲである。同様に、図１０Ｃの基板１０４と回折格子１００Ｃの異なるように配列される第１／第２の回折領域１１６Ｃ−１Ｌ／１１６Ｃ−１Ｒ、１１６Ｃ−２Ｌ／１１６Ｃ−２Ｒ、・・・および１１６Ｃ−ｎＬ／１１６Ｃ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１／第２の整合層１２０Ｃ−１Ｌ／１２０Ｃ−１Ｒ、１２０Ｃ−２Ｌ／１２０Ｃ−２Ｒ、・・・および１２０Ｃ−ｎＬ／１２０Ｃ−ｎＲである。
【００７９】
本明細書では、本開示全体を通して、伸長液晶分子の整合方向は、液晶分子の伸長方向または配向子ベクトルｎの方向を指し得る。
【００８０】
本明細書では、本開示全体を通して、傾斜角度または事前傾斜角度Φは、液晶層または基板の主要表面（ｘ−ｙ平面）と垂直な平面、例えば、ｘ−ｚ平面において測定され、かつ整合方向と主要表面または主要表面と平行方向、例えば、ｘ−方向との間で測定される、角度を指し得る。
【００８１】
本明細書では、本開示全体を通して、方位角または回転角度φは、主要表面（ｘ−ｙ平面）に対して法線の軸を中心とした回転の角度を説明するために使用され、これは、液晶層または基板の主要表面と平行な平面、例えば、ｘ−ｙ平面において測定され、かつ整合方向と主要表面と平行方向、例えば、ｙ−方向との間で測定される。
【００８２】
本明細書では、本開示全体を通して、事前傾斜角度Φまたは回転角度φ等の整合角度が、異なる領域間で実質的に同一であると称されるとき、平均整合角度は、例えば、互いに約１％、約５％、または約１０％以内であり得るが、平均整合は、ある場合には、より大きくあり得ることを理解されたい。
【００８３】
本明細書では、本明細書全体を通して、デューティサイクルは、例えば、第１の整合方向に整合された液晶分子を有する第１の領域の第１の側方寸法と第１の領域を有するゾーンの格子周期との間の比率を指し得る。適用可能である場合、第１の領域は、液晶の整合が異なるゾーン間で変動しない、領域に対応する。
【００８４】
依然として、図１０Ａ−１０Ｃを参照すると、回折格子１００Ａ、１００Ｂ、および１００Ｃの各ゾーンは、ｘ−方向に交互する、第１および第２の領域を含む。回折格子１００Ａの第１の領域１１６Ａ−１Ｌ、１１６Ａ−２Ｌ、・・・および１１６Ａ−ｎＬのそれぞれ、回折格子１００Ｂの第１の領域１１６Ｂ−１Ｌ、１１６Ｂ−２Ｌ、・・・および１１６Ｂ−ｎＬのそれぞれ、ならびに回折格子１００Ｃの第１の領域１１６Ｃ−１Ｌ、１１６Ｃ−２Ｌ、・・・および１１６Ａ−ｎＬのそれぞれは、同一の第１の整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有し、実質的に同一である、第１の事前傾斜角度Φを有する。回折格子１００Ａの第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲのそれぞれ、回折格子１００Ｂの第２の領域１１６Ｂ−１Ｒ、１１６Ｂ−２Ｒ、・・・および１１６Ｂ−ｎＬのそれぞれ、ならびに回折格子１００Ｃの第２の領域１１６Ｃ−１Ｒ、１１６Ｃ−２Ｒ、・・・および１１６Ｃ−ｎＲのそれぞれは、第１の整合方向と異なる第２の整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有し、それぞれの第１の領域の第１の事前傾斜角度Φと異なる、例えば、それを上回る、第２の事前傾斜角度Φを有する。
【００８５】
図１０Ａ−１０Ｃの回折格子１００Ａ−１００Ｃのそれぞれでは、実施形態によると、それぞれ、回折ゾーンのうちの少なくともいくつかは、回折ゾーンが、異なる光学性質、例えば、異なる屈折率および異なる回折効率を有するように、空間的に異なるように配列される、例えば、互いに異なる事前傾斜角度を有する（図１０Ａおよび１０Ｃ）、または側方に可変のデューティサイクルを有する（図１０Ｂおよび１０Ｃ）、液晶分子から形成される液晶層を有する。
【００８６】
特に、図１０Ａの回折格子１００Ａを参照すると、第１の領域１１６Ａ−１Ｌ、１１６Ａ−２Ｌ、・・・および１１６Ａ−ｎＬの第１の事前傾斜角度Φと異なる、整合方向および事前傾斜角度Φを有することに加え、異なる第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲの液晶分子は、互いに異なる第２の整合方向に沿って整合される。例えば、図示される実施形態では、ゾーン１０８Ａ−１、１０８Ａ−２、および１０８Ａ−ｎは、第１の領域および第２の領域がｘ−方向に交互するように配列され、第１の領域１１６Ａ−１Ｌ、１１６Ａ−２Ｌ、・・・および１１６Ａ−ｎＬの各々は、実質的に同一の事前傾斜角度Φを有する一方、第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲは、互いに異なる事前傾斜角度Φを有する。一例として、第１の領域１１６Ａ−１Ｌ、１１６Ａ−２Ｌ、・・・および１１６Ａ−ｎＬは、約±１５度または約±１０度もしくは約±５、例えば、０度の事前傾斜角度Φを有する。第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲは、互いに異なり、それぞれ、約６０度〜約９０度または約６５度〜約８５度、例えば、約７５度、約３５度〜約６５度または約４０度〜約６０度、例えば、約５０度、約１０度〜約４０度または約１５度〜約３５度、例えば、約２５度の事前傾斜角度Φを有することができる。
【００８７】
依然として、図１０Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、図示されるように、第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲは、回折性質の勾配が作成されるように、側方方向における１つの方向に変動する、例えば、増減する、傾斜角度Φを有することができる。他の実施形態では、第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、１１６Ａ−２Ｒ、・・・および１１６Ａ−ｎＲは、側方方向における１つの方向に変動しない、傾斜角度Φを有することができる。
【００８８】
依然として、図１０Ａを参照すると、上で定義される、デューティサイクルは、約１０％〜約３０％、約３０％〜約５０％、約４０％〜６０％（例えば、約５０％）、約５０％〜約７０％、または約７０％〜約９０％であることができる。
【００８９】
ここで図１０Ｂを参照すると、回折格子１００Ｂは、図１０Ａの回折格子１００Ａといくつかの共通特徴を共有する。しかしながら、図１０Ａの回折格子１００Ｂと異なり、異なる第２の領域１１６Ｂ−１Ｒ、１１６Ｂ−２Ｒ、・・・および１１６Ｂ−ｎＲの液晶分子は、第１の領域１１６Ｂ−１Ｌ、１１６Ｂ−２Ｌ、・・・および１１６Ｂ−ｎＬの第１の事前傾斜角度Φと異なる、事前傾斜角度Φを有するが、それらは、互いに異なるように整合されない。例えば、図示される実施形態では、ゾーン１０８Ｂ−１、１０８Ｂ−２、および１０８Ｂ−ｎは、第１の領域および第２の領域がｘ−方向に交互するように配列され、第１の領域１１６Ｂ−１Ｌ、１１６Ｂ−２Ｌ、・・・および１１６Ｂ−ｎＬの各々は、実質的に同一の第１の事前傾斜角度Φを有し、第２の領域１１６Ｂ−１Ｒ、１１６Ｂ−２Ｒ、・・・および１１６Ｂ−ｎＲの各々は、実質的に同一の第２の事前傾斜角度Φを有する。第１および第２の領域の第１および第２の事前傾斜角度は、図１０Ａの回折格子１００Ａに関して上で議論される値のいずれかを有することができる。
【００９０】
依然として、図１０Ｂを参照すると、図１０Ａの格子１００Ａと異なり、ゾーン１１６Ｂ−１、１１６Ｂ−２、および１１６Ｂ−３は、実質的に同一の事前傾斜角度、例えば、約０〜９０度を有するが、回折格子１００Ｂが空間可変光学性質を有するように、それぞれ、デューティサイクル約４０％〜約６０％、例えば、約５０％、約３０％〜約５０％、例えば、約４０％〜デューティサイクル約２０％〜約４０％、例えば、約３０％を有する。
【００９１】
依然として、図１０Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、図示されるように、ゾーンは、光学性質の勾配が作成されるように、側方方向における１つの方向に変動する、例えば、増減するデューティサイクルを有することができる。他の実施形態では、デューティサイクルは、側方方向における１つの方向に変動しない。
【００９２】
ここで図１０Ｃを参照すると、図示される回折格子１００Ｃは、図１０Ａおよび１０Ｂの回折格子１００Ａおよび１００Ｂに関して上で説明されるものに類似する特徴を組み合わせる。特に、異なる第２の領域１１６Ｃ−１Ｒ、１１６Ｃ−２Ｒ、・・・および１１６Ｃ−ｎＲの液晶分子は、第１の領域１１６Ｃ−１Ｌ、１１６Ｃ−２Ｌ、・・・および１１６Ｃ−ｎＬの第１の事前傾斜角度Φと異なり、互いに異なるように整合される、事前傾斜角度Φを有することができる。加えて、デューティサイクルは、側方方向、例えば、ｘ−方向を横断して隣接するゾーン間で変動する。第１および第２の領域の第１および第２の事前傾斜角度は、図１０Ａの回折格子１００Ａに関して上で議論される値のいずれかを有することができる。加えて、側方方向、例えば、ｘ−方向を横断した隣接するゾーン間のデューティサイクル変動も、図１０Ｂの回折格子１００Ｂに関して上で議論される値を有することができる。
【００９３】
図１０Ａ−１０Ｃに図示される回折格子１００Ａ−１００Ｃでは、本開示全体を通して、上で議論される格子周期およびデューティサイクルに加え、回折性質はさらに、とりわけ、液晶層１１６の厚さおよび屈折率によって定義され得ることを理解されたい。本明細書に開示される種々の実施形態によると、本明細書に開示される液晶層の厚さは、厚さ約１μｍ〜約１００μｍ、約０．５μｍ〜約２０μｍ、または約０．１μｍ〜約１０μｍを有することができる。本明細書に開示される液晶層の平均屈折率は、約１．８〜約２．０、約１．６〜約１．８、または約１．４〜約１．２であることができる。本明細書に開示される種々の回折格子の結果として生じる平均回折効率は、約１％〜約８０％、約１％〜約５０％、または約５％〜約３０％であることができる。
【００９４】
本明細書に開示される種々の実施形態を実装する結果、本開示全体を通して、異なるゾーンは、平均屈折率に対して、回折格子の表面積を横断して、約−３０％〜約＋３０％、約−２０％〜約＋２０％、または約−１０％〜約＋１０％変動する、屈折率を有することができる。さらなる結果として、異なるゾーンは、平均回折効率に対して、回折格子の表面積を横断して、約１％〜約８０％、約１％〜約５０％または約１％〜約３０％変動する、回折効率を有することができる。
【００９５】
図１１Ａおよび１１Ｂは、実施形態による、光整合技法を使用して、例えば、上で説明される図１０Ａ−１０Ｃの回折格子１００Ａ−１００Ｃ等、表面を横断して非均一事前傾斜角度を伴う、液晶分子を有する回折格子を加工するための方法を図示する。
【００９６】
図１１Ａの中間構造１００ａを参照すると、基板１０４が、提供され、その上に、光整合層１２０が、形成される。基板１０４は、いくつか実施例を挙げると、例えば、シリカベースのガラス、石英、サファイア、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、またはポリマー基板等の可視スペクトル内において透明である、光学的に透明な基板であることができる。
【００９７】
本明細書に説明されるように、光整合層は、その上に液晶分子が堆積されると、例えば、光整合層によって液晶分子上に付与される係留エネルギーに起因して、液晶分子が配向される、層を指し得る。光整合層の実施例は、いくつか挙げると、ポリイミド、線形偏光光重合性ポリマー（ＬＰＰ）、アゾ含有ポリマー、クマリン含有ポリマー、およびケイ皮酸含有ポリマーを含む。
【００９８】
光整合層１２０は、前駆体、例えば、モノマーを好適な溶媒中に溶解し、基板１０４の表面を溶液でコーティング、すなわち、スピンコーティングすることによって形成されることができる。溶媒は、その後、コーティングされた溶液から除去されることができる。
【００９９】
光整合層１２０をコーティングおよび乾燥後、フォトマスク１３０が、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するために使用されることができる。例えば、異なるように暴露されることになる光整合層１２０の領域は、図１０Ａの回折格子１００Ａに関して上で説明されるゾーン１０８Ａ−１および１０８Ａ−２のそれぞれの第１（例えば、左）および第２（例えば、右）の領域に対応し得る。
【０１００】
いくつかの実施形態では、光整合層１２０は、結果として生じる液晶分子が暴露光の偏光方向と略平行に配向されるように構成されることができる（例えば、暴露光の方位角φおよび線形偏光角度は、実質的に同一である）。他の実施形態では、光整合層１２０は、液晶分子が暴露光の偏光方向と実質的に直交して配向されるように構成されることができる（例えば、暴露光の方位角φおよび線形偏光角度は、約＋／−９０度、実質的にオフセットされる）。
【０１０１】
一実施例では、フォトマスク１３０は、少なくとも部分的に、透明であり、可能性として、１つ以上の不透明領域を有する、複数のマスク領域１３０ａ−１３０ｄを有する、グレースケールマスクであることができる。複数のマスク領域１３０ａ−１３０ｄの異なるものは、複数のマスク領域１３０ａ−１３０ｄの異なるものを通して透過される透過光１４０ａ−１４０ｄが、入射光１４０に対する異なるマスク領域１３０ａ−１３０ｄの相対的透明度に比例する可変強度を有するように、異なる量の入射光１４０を透過させるように構成され得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他のマスクタイプも、使用されることができる。例えば、フォトマスク１３０は、複数のマスク領域１３０ａ−１３０ｄを通して透過される透過光１４０ａ−１４０ｄが、バイナリ強度を有するように、それぞれ、完全またはほぼ完全に透明もしくは完全またはほぼ完全に不透明である、複数のマスク領域１３０ａ−１３０ｄを有する、バイナリマスクであることができる。
【０１０２】
フォトマスク１３０は、好適な材料から形成されることができ、これは、少なくとも部分的に、ＵＶ光を吸収する。いくつかの実施形態では、異なるマスク領域１３０ａ−１３０ｄを横断して透過される光の可変強度は、異なる領域内の異なる材料（例えば、異なる吸収係数を有する）、異なる領域内の可能性として異なる量でドープされた材料を使用することによって、または異なる領域内の異なる厚さを使用することによって、達成されることができる。他のタイプのマスクも、使用されることができる。いくつかの実施形態では、フォトマスク１３０は、下層光整合層１２０に接触することができる一方、他の実施形態では、フォトマスク１３０は、下層光整合層１２０に接触しない。
【０１０３】
入射光は、例えば、４３６ｎｍ（「ｇ−線」）、４０５ｎｍ（「ｈ−線」）、および３６５ｎｍ（「ｉ−線」）におけるそのスペクトル線のための、例えば、高圧Ｈｇ−ランプからのＵＶ光であることができる。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、入射光は、可視光を含む、光整合層１２０が応答性である、任意の好適な光であることができる。偏光されると、入射ＵＶ−光は、好適な偏光器を使用して偏光されることができる。故に、種々の場合において、マスクは、ＵＶ−光に透過性である。フォトマスクを利用することに加え、他のパターン化方法も、採用されることができる。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、入射光１４０は、単一均一入射光源を使用することによって、ある持続時間にわたって生成されることができる。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の実施形態では、入射光１４０は、異なるマスク領域１３０ａ−１３０ｄを横断して強度が変動することができる。さらに、さらに他の実施形態では、入射光１４０は、異なるマスク領域１３０ａ−１３０ｄを横断して、異なる持続時間にわたって選択的に生成されることができる。
【０１０５】
さらに、図示される実施形態では、入射光１４０は、偏光される、例えば、偏光ベクトル１３４ａ−１３４ｄによって図式的に描写されるように、線形に偏光されることができる。しかしながら、他の実施形態による入射光１４０は、円または楕円偏光であることができる。いくつかの実施形態では、偏光ベクトル１３４ａ−１３４ｄは、異なる偏光角度を表すことができる一方、いくつかの他の実施形態では、入射光１４０は、単一偏光角度を有することができる。
【０１０６】
任意の理論によって拘束されるわけではないが、光整合材料と透過される光１４０ａ−１４０ｄの異なる用量および偏光の組み合わせは、結果として生じる光整合層１２０の種々の領域に異なる量の係留エネルギーを上層液晶分子上に付与させ、それによって、本明細書に説明されるように、液晶分子の異なる配向を生じさせる。マスクを採用する場合とそうではない場合がある、他の方法も同様に、使用され得る。
【０１０７】
図１１Ｂを参照すると、上で説明される種々の技法を使用して、光整合層１２０を可変用量の透過光１４０ａ−１４０ｄに暴露後、液晶層１１６が、光整合層１２０上に形成されることができる。
【０１０８】
液晶層１１６は、液晶前駆体、例えば、モノマーを好適な溶媒中に溶解し、整合層１２０の表面をその中に溶解された液晶前駆体を有する溶液でコーティング、例えば、スピンコーティングすることによって形成されることができる。溶媒は、その後、コーティングされた溶液から除去されることができる。
【０１０９】
種々の実施形態では、液晶層１１６を形成するために使用される反応性メソゲン材料は、例えば、液晶性モノまたはジアクリレートを含む。
【０１１０】
上で説明されるように、光整合層１２０の異なる領域によって受光された光の異なる用量および／または偏光角度のため、例えば、堆積されたままの液晶層は、それぞれ、液晶層１１６Ａ−１および１１６Ａ−２をゾーン１０８Ａ−１および１０８Ａ−２内に形成する。液晶層１１６Ａ−１および１１６Ａ−２は、順に、それぞれ、第１および第２の回折領域１１６Ａ−１Ｌおよび１１６Ａ−１Ｒならびに１１６Ａ−２Ｌおよび１１６Ａ−２Ｒを有する。図１０Ａに関して上で説明されるように、第１の領域および第２の領域は、ｘ−方向に交互し、第１の領域１１６Ａ−１Ｌおよび１１６Ａ−２Ｌの各々は、実質的に同一の第１の事前傾斜角度Φを有する一方、第２の領域１１６Ａ−１Ｒおよび１１６Ａ−２Ｒは、相互および第１の領域の第１の事前傾斜角度と異なる事前傾斜角度Φを有する。任意の理論によって拘束されるわけではないが、いくつかのタイプの光整合材料では、光への下層光整合層１２０の暴露は、液晶分子の面内整合を生じさせる、係留エネルギーを増加させると考えられる。その結果、これらの光整合材料では、暴露の増加は、実施形態によると、その上に形成される液晶層の事前傾斜角度Φの対応する低減につながる。しかしながら、他のタイプの光整合材料では、光への下層光整合層１２０の暴露は、液晶分子の面内整合を生じさせる、係留エネルギーを減少させると考えられる。その結果、これらの光整合材料では、暴露の増加は、実施形態によると、その上に形成される液晶層の事前傾斜角度Φの対応する増加につながる。
【０１１１】
したがって、実施形態によると、事前傾斜角度Φによって測定されるような傾斜度は、下層光整合層１２０によって受光された透過光の用量に反比例する。例えば、図示される実施形態では、光整合層１２０Ａ−１Ｌおよび１２０Ａ−２Ｌは、最高量の入射光を受光し、その後、整合層１２０Ａ−１Ｒ、その後、整合層１２０−２Ｒが続く。その結果、結果として生じる事前傾斜角度は、ゾーン１０８Ａ−２の第２の領域１１６Ａ−２Ｒに関して最高となり、その後、ゾーン１０８Ａ−１の第２の領域１１６Ａ−１Ｒ、その後、それぞれ、ゾーン１０８Ａ−１および１０８Ａ−２の第１の領域１１６Ａ−１Ｌおよび１１６Ａ−２Ｌが続く。
【０１１２】
図１２Ａ−１２Ｃは、実施形態による、光整合技法を使用して、非均一事前傾斜角度を有する、回折格子、例えば、上で説明される図１０Ａ−１０Ｃの回折格子１００Ａ−１００Ｃを加工するための別の方法を図示する。特に、図示される実施形態では、方法は、液晶の形成に先立って、整合層の複数回の暴露を使用する。
【０１１３】
図１２Ａ−１２Ｃの図示される方法では、図１１Ａ−１１Ｂに関して図示される方法と同様に、基板１０４が、提供され、その上に、光整合層１２０が、形成される。しかしながら、図１１Ａ−１１Ｂに関して図示される方法と異なり、フォトマスク１３０を使用して、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露することに先立って、光整合層１２０は、第１の入射光１４０Ａを使用して、一次（例えば、ブランケット）パターンの光に暴露される。一次パターンの光は、例えば、ブランケット暴露を使用して、例えば、ブランケット半透明グレースケールマスク（図示せず）を使用して、生産され得る。図示される実施形態では、マスクは、一次パターンの光へのブランケット暴露に関して省略され得る。
【０１１４】
第１の入射光１４０Ａは、偏光される、例えば、偏光ベクトル１３４ａ−１３４ｄによって図式的に描写されるように、第１の偏光角度で線形に偏光されることができる。線形に偏光される、第１の入射光１４０Ａは、液晶分子の均一整合を作成することができる。一次（例えば、ブランケット）パターンの光への暴露に続いて、整合層１２０はさらに、図１１Ａ−１１Ｂに関して上で説明される方法に実質的に類似する様式において、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するように構成される、第２の入射光１４０Ｂおよびフォトマスク１３０を使用して、二次パターンの光に暴露され得る。例えば、回折格子１００Ａに関して上で説明されるように、ゾーン１０８Ａ−１および１０８Ａ−２のそれぞれの第１（例えば、左）および第２（例えば、右）の領域に対応する、光整合層１２０の異なる領域は、異なる用量および／または異なる偏光の光に暴露されることができる。第１の入射光１４０Ａと異なり、第２の入射光１４０Ｂは、非偏光または円偏光であることができる。非偏光または円偏光である、第２の入射光１４０Ｂは、液晶分子の整合方向を再分散させることができる。結果として生じる回折格子１００Ａは、図１１Ｂに関して上で説明されるものに類似し、第１の領域および第２の領域は、ｘ−方向に交互し、第１の領域１１６Ａ−１Ｌおよび１１６Ａ−２Ｌの各々は、実質的に同一の第１の事前傾斜角度Φを有する一方、第２の領域１１６Ａ−１Ｒおよび１１６Ａ−２Ｒは、相互および第１の領域の第１の事前傾斜角度と異なる事前傾斜角度Φを有する。
【０１１５】
第２の入射光１４０Ｂは、偏光される、例えば、偏光ベクトル１３４ｅ−１３４ｈによって図式的に描写されるように、第１の入射光１４０Ａの第２の偏光角度と異なる、例えば、それに直交する第２の偏光角度で線形に偏光されることができる。いくつかの他の実施形態では、第１および第２の偏光角度は、同一である。さらにいくつかの他の実施形態では、第１および第２の偏光角度は、異なるが、直交しない。さらに、他の実施形態による第２の入射光１４０Ｂは、第１の入射光１４０Ａに対して類似または異なる偏光配向を有する、円または楕円偏光であることができる。
【０１１６】
図１１Ａ−１１Ｂおよび図１２Ａ−１２Ｃを参照して上で説明される実施形態では、光整合技法を使用して、液晶の事前傾斜角度を制御する方法が、説明された。しかしながら、他の実施形態も、可能性として考えられ、整合層が、金属物体、例えば、金属球体で、負荷下において研磨される、微小研磨と称されるプロセスを含むことを理解されたい。例えば、整合層と直接接触する金属球体は、整合層を横断して移動され、マイクロメートルサイズの研磨線を作成し得、これは、続いて堆積される液晶の事前傾斜を誘発する。さらに他の実施形態では、異なる事前傾斜角度を誘発するように事前に構成される、整合材料が、それらを後処理する代わりに、堆積され、液晶分子の事前傾斜を誘発することができる。
【０１１７】
ここで図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、いくつかの他の実施形態による、回折格子１０３Ａおよび１０３Ｂの断面（ｘ−ｚ平面）図が、図示される。回折格子１０３Ａおよび１０３Ｂは、偏光格子（ＰＧ）であることができ、これは、透過光の偏光状態を局所的に修正するように構成され、これは、空間可変複屈折および／または二色性によって達成されることができる。明確にするために示されないが、回折格子１０３Ａのおよび１０３Ｂの各々は、基板と、その上に形成される整合層と、図１３Ａでは、複数の異なるように配列される回折ゾーン１５４Ａ−１および１５４Ａ−２と、図１３Ｂでは、回折ゾーン１５４Ｂ−１および１５４Ｂ−２とを備えている。回折格子１０３Ａの回折ゾーン１５４Ａ−１および１５４Ａ−２は、それぞれ、対応する液晶層１４４Ａ−１および１４４Ａ−２を有し、回折格子１０３Ｂの回折ゾーン１５４Ａ−１および１５４Ａ−２は、それぞれ、対応する液晶層１５４Ｂ−１および１５４Ｂ−２を有する。
【０１１８】
回折格子１０３Ａの液晶層１４４Ａ−１および１４４Ａ−２の各々は、順に、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１４４Ａ−１ａ−１４４Ａ−１ｇおよび１４４Ａ−２ａ−１４４Ａ−２ｇを有する。同様に、回折格子１０３Ｂの液晶層１４４Ｂ−１および１４４Ｂ−２の各々は、順に、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１４４Ｂ−１ａ−１４４Ｂ−１ｇおよび１４４Ｂ−２ａ−１４４Ａ−２ｇを有する。
【０１１９】
図１３Ａの回折格子１０３Ａを参照する、ゾーン１５４Ａ−１の複数の領域１４４Ａ−１ａ−１４４Ａ−１ｇのそれぞれおよびゾーン１５４Ａ−２の複数の領域１４４Ａ−２ａ−１４４Ａ−２ｇのそれぞれは、同一領域内で同一整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有する。ゾーン１５４Ａ−１の全ての領域の液晶分子１１２は、実質的に同一の第１の事前傾斜角度Φを有する。対照的に、ゾーン１５４Ａ−２の異なる領域の液晶分子１１２は、異なる事前傾斜角度Φを有する。図示される実施形態では、ゾーン１５４Ａ−２の中心領域（１４４Ａ−２ｄ）の事前傾斜角度Φは、ゾーン１５４Ａ−２のますます外側の領域に関して、事前傾斜角度Φの増加に伴って最小となる、事前傾斜角度Φを有するが、実施形態は、そのように限定されない。加えて、中心領域（１４４Ａ−２ｄ）は、図示される実施形態では、ゾーン１５４Ａ−１の第１の事前傾斜角度Φに類似する事前傾斜角度Φを有するが、実施形態は、そのように限定されない。回折格子１０３Ａの異なる領域の事前傾斜角度は、図１０Ａ−１０Ｃに関して前述の大きさのいずれかを有することができる。
【０１２０】
依然として、図１３Ａを参照すると、図示される実施形態では、ゾーン１５４Ａ−１の異なる領域の液晶分子１１２は、異なる方位角φを有する。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の実施形態では、ゾーン１５４Ａ−１の異なる領域の液晶分子１１２は、同一方位角φを有することができる。回折格子１０３Ａの異なる領域の方位角は、図１５Ａ−１５Ｃに関して後述の大きさのいずれかを有することができる。
【０１２１】
図１３Ｂの回折格子１０３Ｂを参照すると、図１３Ａの回折格子１０３Ａと同様に、ゾーン１５４Ｂ−１の複数の領域１４４Ｂ−１ａ−１４４Ｂ−１ｇの各々は、同一領域内で同一整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有する。図１３Ａの回折格子１０３Ａのゾーン１５４Ａ−２と同様に、ゾーン１５４Ｂ−１の異なる領域の液晶分子１１２は、実質的に異なる事前傾斜角度Φおよび実質的に異なる方位角φを有する。対照的に、ゾーン１５４Ｂ−２の複数の領域１４４Ｂ−２ａ−１４４Ｂ−２ｇの各々は、同一領域内で同一異なるように実質的に整合された液晶分子１１２を有する。すなわち、ゾーン１５４Ｂ−２の各領域の個々の液晶分子１１２は、実質的に異なる事前傾斜角度Φおよび実質的に異なる方位角φを有する。例えば、ゾーン１５４Ｂ−２の各領域の液晶分子１１２は、後述の図１９Ａおよび１９Ｂに関してより詳細に説明されるように、キラリティを有することができる。
【０１２２】
依然として、図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、異なるゾーン内のゾーンおよび領域の具体的組み合わせが、実施例として提示されるが、ゾーン内のゾーンおよび領域は、うまく組み合わせられることができることを理解されたい。例えば、回折格子内の図１３Ａのゾーン１５４Ａ−１と図１３Ｂのゾーン１５４Ｂ−２の組み合わせが、可能性として考えられる。
【０１２３】
図１４Ａ−１４Ｂは、それぞれ、実施形態による、光整合技法を使用して、非均一事前傾斜角度を有する、回折格子、例えば、図１３Ａおよび１３Ｂの回折格子１０３Ａおよび１０３Ｂを加工するための別の方法を図示する。特に、図示される実施形態では、方法は、実施形態による、グレースケールマスクを使用した偏光干渉ホログラフィック暴露を含む。
【０１２４】
偏光干渉ホログラフィック暴露は、コヒーレント光の複数のビームを使用して、干渉パターンを作成する技法である。大部分の従来のホログラフィは、強度変調を使用するが、偏光ホログラフィは、干渉パターンを作成するために、偏光状態の変調を伴う。
【０１２５】
図１４Ａを参照すると、図示される方法では、プロセスは、図１１Ａ−１１Ｂに関して上で説明される方法と同様に、光整合層１２０をＵＶ光に暴露するステップにつながる。特に、光整合層１２０は、基板１０４上に形成され、グレースケールマスク１３０は、部分的に、光整合層１２０にわたって配置される。その後、異なる偏光を有する、複数のコヒーレント光ビーム１４２ａ、１４２ｂが、複数の異なるように配列される回折ゾーン１５４Ａ−１および１５４Ａ−２に指向される。図示される実施形態では、光ビーム１４２ａおよび１４２ｂは、直交円偏光ビームを含む。しかしながら、光ビーム１４２ａおよび１４２ｂは、例えば、非直交円偏光ビームも含むことができる。図示される実施形態では、ゾーン１５４Ａ−１は、暴露される一方、ゾーン１５４Ａ−２は、グレースケールマスク１３０でマスクされる。複数の光ビーム１４２ａおよび１４２ｂが、図１３Ａに関して上で説明されるように、結果として生じる干渉効果が、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１４４Ａ−１ａ−１４４Ａ−１ｇおよび１４４Ａ−２ａ−１４４Ａ−２ｇを有する、回折格子１０３Ａの液晶層１４４Ａ−１および１４４Ａ−２をもたらすように、位置付けられ、偏光される。同様に、図１３Ｂに戻って参照される類似概念を使用して、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１４４Ｂ−１ａ−１４４Ｂ−１ｇおよび１４４Ｂ−２ａ−１４４Ｂ−２ｇを有する、回折格子１０３Ｂの液晶層１４４Ｂ−１および１４４Ｂ−２が、加工されることができる。
【０１２６】
図１５Ａ−１５Ｃを参照すると、種々の実施形態による回折格子１５０Ａ−１５０Ｃの見下げ図（ｘ−ｙ平面に沿って見られる）が、図示される。図１５Ａ−１５Ｃは、見下げ図であるため、液晶層のみ（整合層または基板とは対照的に）が、図示される一方、下層特徴は、示されない。しかしながら、回折格子１５０Ａの−１５０Ｃのそれぞれの液晶層は、基板にわたって形成され、複数の回折ゾーン、すなわち、図１５Ａでは、回折ゾーン１４８Ａ−１、１４８Ａ−２、・・・および１４８Ａ−ｎ、図１５Ｂでは、回折ゾーン１４８Ｂ−１、１４８Ｂ−２、・・・および１４８Ｂ−ｎ、図１５Ｃでは、回折ゾーン１４８Ｃ−１、１４８Ｃ−２、・・・および１４８Ｃ−ｎを備えていることを理解されたい。
【０１２７】
回折格子１５０Ａ−１５０Ｃのそれぞれの回折ゾーンは、周期的に反復する側方寸法または格子周期∧を有し、液晶分子１１２から形成される対応する液晶層を含む。側方寸法または格子∧は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものに類似することができる。
【０１２８】
図１０Ａ−１０Ｃと同様に、回折格子１５０Ａの回折ゾーン１４８Ａ−１、１４８Ａ−２、…１４８Ａ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１５６Ａ−１、１５６Ａ−２、…１５６Ａ−ｎを有し、回折格子１５０Ｂの回折ゾーン１４８Ｂ−１、１４８Ｂ−２、…１４８Ｂ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１５６Ｂ−１、１５６Ｂ−２、…１５６Ｂ−ｎを有し、回折格子１５０Ｃの回折ゾーン１４８Ｃ−１、１４８Ｃ−２、…１４８Ｃ−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１５６Ｃ−１、１５６Ｃ−２、および１５６Ｃ−ｎを有する。各タイプの回折ゾーンの数は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものに類似することができる。加えて、配列されるような回折ゾーンは、任意の好適な回数だけ周期的に反復することができる。
【０１２９】
回折格子１５０Ａの液晶層１５６Ａ−１、１５６Ａ−２、および１５６Ａ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１５６Ａ−１Ｌおよび１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｌおよび１５６Ａ−２Ｒ、・・・ならびに１５６Ａ−ｎＬおよび１５６Ａ−ｎＲを有する。同様に、回折格子１５０Ｂの液晶層１５６Ｂ−１、１５６Ｂ−２、および１５６Ｂ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１５６Ｂ−１Ｌおよび１５６Ｂ−１Ｒ、１５６Ｂ−２Ｌおよび１５６Ｂ−２Ｒ、・・・ならびに１５６Ｂ−ｎＬおよび１５６Ｂ−ｎＲを有する。同様に、回折格子１５０Ｃの液晶層１５６Ｃ−１、１５６Ｃ−２、および１５６Ｃ−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１５６Ｃ−１Ｌおよび１５６Ｃ−１Ｒ、１５６Ｃ−２Ｌおよび１５６Ｃ−２Ｒ、・・・ならびに１５６Ｃ−ｎＬおよび１５６Ｃ−ｎＲを有する。
【０１３０】
図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明される回折格子１００Ａ−１００Ｃと同様に、異なる回折ゾーンの各々はさらに、基板と対応する液晶層との間に挿入された整合層（図示せず）を備えている。すなわち、明確にするために示されないが、図１５Ａの基板１０４と回折格子１５０Ａの異なるように配列される第１／第２の回折領域１５６Ａ−１Ｌ／１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｌ／１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＬ／１５６Ａ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１および第２の整合層１６０Ａ−１Ｌ／１６０Ａ−１Ｒ、１６０Ａ−２Ｌ／１６０Ａ−２Ｒ、・・・および１６０Ａ−ｎＬ／１６０Ａ−ｎＲである。同様に、図１５Ｂの基板１０４と回折格子１５０Ｃの異なるように配列される第１／第２の回折領域１５６Ｂ−１Ｌ／１５６Ｂ−１Ｒ、１５６Ｂ−２Ｌ／１５６Ｂ−２Ｒ、・・・および１５６Ｂ−ｎＬ／１５６Ｂ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１／第２の整合層１６０Ｂ−１Ｌ／１６０Ｂ−１Ｒ、１６０Ｂ−２Ｌ／１６０Ｂ−２Ｒ、・・・および１６０Ｂ−ｎＬ／１６０Ｂ−ｎＲである。同様に、図１５Ｃの基板１０４と回折格子１５０Ｃの異なるように配列される第１／第２の回折領域１５６Ｃ−１Ｌ／１５６Ｃ−１Ｒ、１５６Ｃ−２Ｌ／１５６Ｃ−２Ｒ、・・・および１５６Ｃ−ｎＬ／１５６Ｃ−ｎＲとの間に挿入されるのは、それぞれ、第１／第２の整合層１６０Ｃ−１Ｌ／１６０Ｃ−１Ｒ、１６０Ｃ−２Ｌ／１６０Ｃ−２Ｒ、・・・および１６０Ｃ−ｎＬおよび１６０Ｃ−ｎＲである。
【０１３１】
依然として、図１５Ａ−１５Ｃを参照すると、回折格子１５０Ａ、１５０Ｂ、および１５０Ｃの各ゾーンは、ｘ−方向に交互する、第１および第２の領域を含む。回折格子１５０Ａの第１の領域１５６Ａ−１Ｌ、１５６Ａ−２Ｌ、・・・および１５６Ａ−ｎＬのそれぞれ、回折格子１５０Ｂの第１の領域１５６Ｂ−１Ｌ、１５６Ｂ−２Ｌ、・・・および１５６Ｂ−ｎＬのそれぞれ、ならびに回折格子１５０Ｃの第１の領域１５６Ｃ−１Ｌ、１５６Ｃ−２Ｌ、・・・および１５６Ｃ−ｎＬのそれぞれは、同一の第１の整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有し、実質的に同一である、方位角φを有する。対照的に、回折格子１５０Ａの第２の領域１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲのそれぞれ、回折格子１５０Ｂの第２の領域１５６Ｂ−１Ｒ、１５６Ｂ−２Ｒ、・・・および１５６Ｂ−ｎＬのそれぞれ、ならびに回折格子１５０Ｃの第２の領域１５６Ｃ−１Ｒ、１５６Ｃ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲのそれぞれは、第１の整合方向と異なる第２の整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有し、それぞれの第１の領域の第１の方位角φと異なる、例えば、それより小さい、第２の方位角φを有する。
【０１３２】
図１５Ａ−１５Ｃの回折格子１５０Ａ−１５０Ｃのそれぞれでは、それぞれ、回折ゾーンのうちの少なくともいくつかは、実施形態によると、回折ゾーンが、異なる光学性質、例えば、異なる屈折率および／または異なる回折効率を有するように、空間的に異なるように配列される、例えば、互いに異なる方位角を有する（図１５Ａおよび１５Ｃ）、また互いに異なるデューティサイクルを有する（図１５Ｂおよび１５Ｃ）、液晶分子から形成される液晶層を有する。
【０１３３】
特に、図１５Ａの回折格子１５０Ａを参照すると、第１の領域１５６Ａ−１Ｌ、１５６Ａ−２Ｌ、・・・および１５６Ａ−ｎＬの第１の方位角φと異なる整合方向および方位角φを有することに加え、第２の領域の液晶分子１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲの液晶分子は、互いに異なる第２の整合方向に沿って整合される。例えば、図示される実施形態では、ゾーン１４８Ａ−１、１４８Ａ−２、および１４８Ａ−ｎは、第１の領域および第２の領域がｘ−方向に交互するように配列され、第１の領域１５６Ａ−１Ｌ、１５６Ａ−２Ｌ、・・・および１５６Ａ−ｎＬの各々は、実質的に同一方位角φを有する一方、第２の領域１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲは、互いに異なる方位角φを有する。一例として、第１の領域１５６Ａ−１Ｌ、１５６Ａ−２Ｌ、・・・および１５６Ａ−ｎＬは、約０〜約１５度または約０〜１０度、例えば０度の方位角φを有する。第２の領域１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲは、互いに異なる方位角φを有することができ、それぞれ、約７５度〜約９０度、例えば、約９０度、約６０度〜約９０度または約６５度〜約８５度、例えば、約７５度、約３０度〜約６０度または約３５度〜約５５度、例えば、約４５度、約１０度〜約４０度または約１５度〜約３５度、例えば、約２５度であることができる。
【０１３４】
依然として、図１５Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、図示されるように、第２の領域１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲは、回折性質の勾配が作成されるように、側方方向における１つの方向に変動する、例えば、増減する、方位角φを有することができる。他の実施形態では、第２の領域１５６Ａ−１Ｒ、１５６Ａ−２Ｒ、・・・および１５６Ａ−ｎＲは、側方方向における１つの方向に変動しない、方位角φを有することができる。
【０１３５】
依然として、図１５Ａを参照すると、デューティサイクルは、約１０％〜約３０％、約３０％〜約５０％、約５０％〜約７０％、または約７０％〜約９０％であることができ、これは、図示される実施形態では、ｘ−方向に実質的に一定である。
【０１３６】
ここで図１５Ｂを参照すると、上で議論されるように、回折格子１５０Ｂは、図１５Ａの回折格子１５０Ａといくつかの共通特徴を共有する。しかしながら、図１５Ａの回折格子１５０Ｂと異なり、異なる第２の領域１５６Ｂ−１Ｒ、１５６Ｂ−２Ｒ、・・・および１５６Ｂ−ｎＲの液晶分子は、第１の領域１５６Ｂ−１Ｌ、１５６Ｂ−２Ｌ、・・・および１５６Ｂ−ｎＬの第１の方位角φと異なる方位角φを有するが、それらは、互いに異なるように整合されない。例えば、図示される実施形態では、ゾーン１４８Ｂ−１、１４８Ｂ−２、および１４８Ｂ−ｎは、第１の領域および第２の領域がｘ−方向に交互するように配列され、第１の領域１５６Ｂ−１Ｌ、１５６Ｂ−２Ｌ、・・・および１５６Ｂ−ｎＬの各々は、実質的に同一の第１の方位角φを有し、第２の領域１５６Ｂ−１Ｒ、１５６Ｂ−２Ｒ、・・・および１５６Ｂ−ｎＲの各々は、実質的に同一の第２の方位角φを有する。第１および第２の領域の第１および第２の方位角は、図１５Ａの回折格子１５０Ａに関して上で議論される値のいずれかを有することができる。
【０１３７】
しかしながら、図１５Ａの格子１５０Ａと異なり、ゾーン１４８Ｂ−１、１４８Ｂ−２、および１４８Ｂ−３は、実質的に同一方位角、例えば、約０〜５０度を有する一方、それぞれ、回折格子１５０Ｂが空間可変光学性質を有するように、実質的に異なるデューティサイクル、例えば、約４０％〜約６０％、例えば、約５０％、約３０％〜約５０％、例えば、約４０％、デューティサイクル約２０％〜約４０％、例えば、約３０％を有する。
【０１３８】
依然として、図１５Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、図示されるように、ゾーンは、光学性質の勾配が作成されるように、側方方向における１つの方向に変動する、例えば、増減する、デューティサイクルを有することができる。他の実施形態では、デューティサイクルは、側方方向における１つの方向に変動しない。
【０１３９】
ここで図１５Ｃを参照すると、図示される回折格子１５０Ｃは、図１５Ａおよび１５Ｂの回折格子１５０Ａおよび１５０Ｂに関して上で説明されるものに類似する特徴を組み合わせる。特に、異なる第２の領域１５６Ｃ−１Ｒ、１５６Ｃ−２Ｒ、・・・および１５６Ｃ−ｎＲの液晶分子は、第１の領域１１６Ｃ−１Ｌ、１１６Ｃ−２Ｌ、・・・および１１６Ｃ−ｎＬの第１の方位角φと異なり、かつ互いに異なる、方位角φを有することができる。加えて、デューティサイクルは、側方方向、例えば、ｘ−方向を横断して隣接するゾーン間で変動する。第１および第２の領域の第１および第２の方位角は、図１５Ａの回折格子１５０Ａに関して上で議論される値のいずれかを有することができる。加えて、側方方向、例えば、ｘ−方向を横断した隣接するゾーン間のデューティサイクル変動はまた、図１５Ｂの回折格子１５０Ｂに関して上で議論される値を有することができる。
【０１４０】
ここで図１６Ａを参照すると、いくつかの他の実施形態による回折格子１６０の見下げ図（ｘ−ｙ平面）が、図示され、液晶分子の方位角は、ゾーンの側方長さを横断して回転する。そのような配列を有する、回折格子は、時として、偏光格子と称される。明確にするために示されないが、回折格子１６０は、基板と、その上に形成される整合層と、複数の異なるように配列される回折ゾーン１６４−１および１６４−２とを備えている。回折ゾーン１６４−１および１６４−２は、それぞれ、対応する液晶層１６８−１および１６８−２を有する。回折格子１６０の液晶層液晶層１６８−１および１６８−２の各々は、順に、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１６８−１ａ−１６８−１ｉおよび１６８−２ａ−１６８−２ｉを有する。ゾーン１６４−１の複数の領域１６８−１ａ−１６８−１ｉのそれぞれおよびゾーン１６４−２の複数の領域１６８−２ａ−１６８−２ｉのそれぞれは、同一領域内で同一整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有する。したがって、ゾーンの各々は、ｚ−方向にスタックされた液晶分子のスタックを含むことを理解されたい。
【０１４１】
ゾーン１６４−１の回折領域１６８−１ａ−１６８−１ｉおよびゾーン１６４−２の領域１６８−２ａ−１６８−２ｉのそれぞれの液晶分子１１２は、同一領域内で実質的に同一方位角φを有する。しかしながら、異なる回折領域の液晶分子１１２は、実質的に異なる方位角を有する。加えて、異なる回折領域の液晶分子１１２は、図１３Ａおよび１３Ｂに関して上で説明されるものと同様に、実質的に同一または異なる事前傾斜角度Φを有することができる。
【０１４２】
図示される実施形態では、ゾーン１６４−１の回折領域１６８−１ａ−１６８−１ｉおよびゾーン１６４−２の対応する領域１６８−２ａ−１６８−２ｉのそれぞれの液晶分子１１２は、同一領域内で実質的に同一方位角φを有する。しかしながら、隣接する領域間の距離は、図１６Ｂを参照して図示されるように、空間可変回折性質が生成されるように、ゾーン１６４−１とゾーン１６４−２との間で実質的に異なる。図１６Ｂを参照すると、図１６Ａにおける回折格子１６０のための側方位置ｘの関数としての方位角φを図式的に示す、グラフ１６２が、図示される。ｘ−軸は、ｘ−方向における側方距離を表し、ｙ−軸は、方位角φを表す。曲線１６２−１および１６２−１は、それぞれ、ゾーン１６４−１およびゾーン１６４−２に関する側方位置ｘの関数として方位角φを表す。
【０１４３】
図１６Ａに戻って参照すると、回折領域１６４−１の液晶分子１１２は、側方長さの単位あたりの方位角φの変化率として配列され、すなわち、ｘ−方向におけるΔφ／Δｘは、図１６Ｂの曲線１６２−１によって図示されるように、比較的に一定である。対照的に、回折領域１６４−２の液晶分子１１２は、ｘ−方向におけるΔφ／Δｘが、図１６Ｂの曲線１６２−２によって図示されるように、ｘを横断して実質的に変動するように配列される。その結果、曲線１６２−２は、Δφ／Δｘが比較的にゆっくりと変動する、ゾーン１６４−２の中心領域と、Δφ／Δｘが比較的に急速に変動する、ゾーン１６４−２の端部領域とによって特徴付けられる。その結果、回折性質（効率および屈折率を含む）は、液晶のその方位角の均一変動を伴う格子のものと異なる。
【０１４４】
図１７Ａ−１７Ｅは、実施形態による、光整合技法を使用して、非均一方位角を有する、回折格子、例えば、上で説明される図１５Ａ−１５Ｃの回折格子１５０Ａ−１５０Ｃを加工するための方法を図示する。特に、図示される実施形態では、方法は、液晶の堆積に先立って、整合層の複数回の暴露を使用する。図１７Ａ−１７Ｅの図示される方法では、図１１Ａ−１１Ｂに関して図示される方法と同様に、基板１０４が、提供され、その上に、光整合層１２０が、形成される。
【０１４５】
図１７Ａに図示される中間構造１５０Ａを参照すると、光整合層１２０を基板１０４上に形成後、第１のフォトマスク１７４Ａが、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するために使用される。例えば、光整合層１２０の異なる領域は、図１５Ａにおける回折格子１５０Ａに関して上で説明されるように、ゾーン１４８Ａ−１および１４８Ａ−２のそれぞれの第１（例えば、左）および第２（例えば、右）の領域に対応する。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、第１のフォトマスク１７４Ａは、少なくとも部分的に、透明であり、可能性として、１つ以上の不透明領域を有する、複数のマスク領域１７４Ａ−１−１７４Ａ−４を有する、グレースケールマスクであることができる。複数のマスク領域１７４Ａ−１−１７４Ａ−４の異なるものは、複数のマスク領域の異なるものを通して透過される透過光１７２Ａが、異なるマスク領域の相対的透明度に比例する可変強度を有するように、異なる用量の第１の入射光１７２Ａを透過させるように構成され得る。他の実施形態では、フォトマスク１７４Ａは、透過光１７２Ａがバイナリ強度を有するように、それぞれ、完全またはほぼ完全に透明もしくは完全またはほぼ完全に不透明である、複数のマスク領域１７４Ａ−１−１７４Ａ−４を有する、バイナリマスクであることができる。図示される実施例では、第１の入射光１７２Ａは、偏光される、例えば、偏光ベクトル１７８Ａによって図式的に描写されるように、第１の角度、例えば、０度で線形に偏光され、図１５Ａに図示されるように、回折格子１５０Ａのゾーン１４８Ａ−１および１４８Ａ−２のそれぞれの第１の（例えば、左）領域に対応するマスク領域１７４Ａ−１および１７４Ａ−３を通して実質的に透過することができる一方、他の領域では、実質的に遮断される。
【０１４７】
図１７Ｂに図示される中間構造１５０Ｂを参照すると、第１の入射光１７２Ａを光整合層１２０の異なる領域に暴露後、第２のフォトマスク１７４Ｂは、第２の入射光１７２Ｂを使用して、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するために使用される。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、第２のフォトマスク１７４Ｂは、第１のフォトマスク１７４Ａと異なり、少なくとも部分的に、透明であり、可能性として、１つ以上の不透明領域を有する、複数のマスク領域１７４Ｂ−１−１７４Ｂ−４を有する、グレースケールマスクであることができる。複数のマスク領域１７４Ｂ−１−１７４Ｂ−４の異なるものは、異なる用量の第２の入射光１７２Ｂを透過させるように構成され得る。他の実施形態では、フォトマスク１７４Ｂは、透過光１７２Ｂがバイナリ強度を有するように、それぞれ、完全またはほぼ完全に透明もしくは完全またはほぼ完全に不透明である、複数のマスク領域１７４Ｂ−１−１７４Ｂ−４を有する、バイナリマスクであることができる。第２の入射光１７２Ｂは、偏光される、例えば、第１の入射光１７８Ａの第１の偏光角度と異なる、例えば、それに直交する、第２の角度で線形に偏光されることができる。例えば、第２の入射光１７２Ｂは、偏光ベクトル１７８Ｂによって図式的に描写されるように、例えば、９０度で、第１の入射光１７２Ａに対して直交して線形に偏光され、図１５Ａに図示される回折格子１５０Ａのゾーン１４８Ａ−１の第２（例えば、右）の領域に対応するマスク領域１７４Ｂ−２を通して実質的に透過することができる一方、他の領域では、実質的に遮断される。
【０１４９】
図１７Ｃにおける中間構造を参照すると、光整合層１２０の異なる領域を第２の入射光１７２Ｂに暴露後、第３のフォトマスク１７４Ｃが、第３の入射光１７２Ｃを使用して、下層光整合層１２０の異なる領域を異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するために使用される。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、第３のフォトマスク１７４Ｃは、第１および第２のフォトマスク１７４Ａ、１７４Ｂと異なり、少なくとも部分的に、透明であり、可能性として、１つ以上の不透明領域を有する、複数のマスク領域１７４Ｃ−１−１７４Ｃ−４を有する、グレースケールマスクであることができる。複数のマスク領域１７４Ｃ−１−１７４Ｃ−４の異なるものは、異なる用量の第３の入射光１７２Ｃを透過させるように構成され得る。他の実施形態では、フォトマスク１７４Ｃは、透過光１７２Ｃがバイナリ強度を有するように、それぞれ、完全またはほぼ完全に透明もしくは完全またはほぼ完全に不透明である、複数のマスク領域１７４Ｃ−１−１７４Ｃ−４を有する、バイナリマスクであることができる。第３の入射光１７８Ｃは、偏光される、例えば、第１および第２の入射光１７８Ａおよび１７８Ｂの第１および第２の偏光角度と異なる第３の角度で線形に偏光されることができる。図示される実施形態では、第３の入射光１７２Ｃは、偏光ベクトル１７８Ｃによって図式的に描写されるように、４５度で線形に偏光され、図１５Ａに図示される回折格子１５０Ａのゾーン１４８Ａ−２の第２（例えば、右）の領域に対応するマスク領域１７４Ａ−４を通して実質的に透過する一方、他の領域では、実質的に遮断される。
【０１５１】
図１７Ｄ（断面図）および１７Ｅ（見下げ図）を参照すると、図１７Ａ−１７Ｃに関して上で説明されるマルチ暴露プロセスを通して光整合層１２０の異なる領域を暴露後、液晶層が、光整合層１２０上に堆積されることができる。光整合層１２０の異なる領域によって受光された異なる用量および／または偏光の光の結果、異なるように構成される液晶層１５６Ａ−１および１５６Ａ−２が、それぞれ、それぞれのゾーン１４８Ａ−１および１４８Ａ−２内に形成される。液晶層１５６Ａ−１および１５６Ａ−２は、それぞれ、第１および第２の回折領域１５６Ａ−１Ｌおよび１５６Ａ−１Ｒならびに１５６Ａ−２Ｌおよび１５６Ａ−２Ｒを有する。図１５Ａに関して上で説明されるように、第１の領域および第２の領域は、ｘ−方向に交互し、第１の領域１５６Ａ−１Ｌおよび１５６Ａ−２Ｌの各々は、実質的に同一の第１の方位角φを有する一方、第２の領域１５６Ａ−１Ｒおよび１５６Ａ−２Ｒは、相互および第１の領域の第１の方位角と異なる方位角φを有する。任意の理論によって拘束されるわけではないが、ある場合には、異なる偏光角度を有する光への下層光整合層１２０の暴露は、液晶分子の異なる方位角につながる。
【０１５２】
依然として、図１７Ｄおよび１７Ｅを参照すると、液晶分子の方位角φは、暴露光の線形偏光角度および光整合層１２０のタイプによって決定されることができる。図示される実施形態では、光整合層１２０は、＋／−９０度までの方位角φの絶対値によって測定されるような液晶分子の回転度が、最大＋／−９０度までの下層整合層によって受光された透過光の線形偏光配向角度によって決定されるように構成される。図示される実施形態等のいくつかの実施形態では、光整合層１２０は、液晶分子が暴露光の偏光方向と略平行に配向されるように構成されることができる（例えば、暴露光の方位角φおよび線形偏光角度は、実質的に同一である）。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の実施形態では、光整合層１２０は、液晶分子が暴露光の偏光方向に実質的に直交して配向されるように構成されることができる（例えば、暴露光の方位角φおよび線形偏光角度は、約＋／−９０度、実質的にオフセットされる）。例えば、図示される実施形態では、光整合層１６０Ａ−１Ｌおよび１６０Ａ−２Ｌは、同一線形偏光配向を伴う光を受光し、光整合層１６０Ａ−１Ｒは、光整合層１６０Ａ−１Ｌおよび１６０Ａ−２Ｌの線形偏光配向に対して線形偏光配向角度のより大きい差異を伴う光を受光し、その後、光整合層１６０Ａ−２Ｒが続く。その結果、結果として生じる方位角は、第１の領域１５６Ａ−１Ｌおよび１５６Ａ−２Ｌに関して同一であって、第１の領域１５６Ａ−１Ｌおよび１５６Ａ−２Ｌに対する結果として生じる方位角の差異は、第２の領域１５６Ａ−２Ｒに関してより第２の領域１５６Ａ−１Ｒに関して大きい。
【０１５３】
本明細書に説明される種々の実施形態では、フォトマスクは、入射光の伝搬方向と垂直な平面に設置された平行金属ワイヤの規則的アレイを有する、ワイヤグリッド偏光器等の線形偏光器を備えていることができる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態では、フォトマスクは、光整合層を横断して均一偏光角度を有する、照明を提供するように構成され得る。ワイヤグリッド偏光器を備えているとき、これらの実施形態は、金属ワイヤのアレイをフォトマスクを横断して均一である、例えば、金属ワイヤの厚さおよび／または密度が均一であるように構成することによって、実現され得る。他の実施形態では、フォトマスクは、光整合層の異なる領域を横断して非均一または複数の偏光角度を有する、照明を提供するように構成され得る。ワイヤグリッド偏光器を備えているとき、これらの実施形態は、金属ワイヤのアレイをフォトマスクを横断して非均一かつ可変である、例えば、金属ワイヤの厚さおよび／または密度が非均一かつ可変であるように構成することによって、実現され得る。したがって、金属ワイヤの厚さおよび密度を変動させることによって、光の偏光角度および透過率の両方が、種々の実施形態によると、制御されることができる。
【０１５４】
図１８Ａ−１８Ｄは、いくつかの他の実施形態による、回折格子１６０を加工するための別の方法を図示し、液晶分子の方位角は、ゾーン、例えば、偏光格子の側方長さを横断して回転する。特に、図示される実施形態では、方法は、実施形態による、グレースケールマスクを使用して、偏光干渉ホログラフィック暴露を使用する。
【０１５５】
中間構造１６０Ａを示す図１８Ａを参照すると、図示される方法では、ＵＶ光に対して光整合層１２０を形成することにつながる、プロセスは、図１７Ａ−１７Ｅに関して上で説明される方法と同様である。その後、異なる偏光を有する、複数のコヒーレント光ビーム１８２Ａ、１８２Ｂが、複数の異なるように配列される回折ゾーン１６４Ａ−１および１６４Ａ−２に指向される。図示される実施形態では、光ビーム１８２Ａおよび１８２Ｂは、直交円偏光ビームを含む。しかしながら、光ビーム１８２Ａおよび１８２Ｂは、例えば、楕円偏光ビームも含むことができる。図示される実施形態では、ゾーン１６４−１および１６４−２は両方とも、マスクされない。
【０１５６】
その後、中間構造１６０Ｂを示す図１８Ｂを参照すると、フォトマスク１８４が、図１７Ａ−１７Ｅに関して上で議論される任意の偏光角度を有する、線形に偏光された入射光１８８を使用して、下層光整合層１２０の異なるゾーンを異なる用量の光および／または異なる偏光の光に暴露するために使用される。例えば、光整合層１２０の異なるゾーンは、図１６Ｂにおける回折格子１６０に関して上で説明されるように、ゾーン１６４−１および１６４−２に対応し得る。線形に偏光された光１８８への二次暴露の結果、光整合層１２０のある割合は、再整合され得る。任意の理論によって拘束されるわけではないが、光整合層１２０が、異なる線形偏光配向を用いて、２回暴露されると、液晶分子の配向は、２回の暴露の相対的線形偏光配向および暴露用量によって決定されることができる。
【０１５７】
ここで図１８Ｃおよび１８Ｄを参照すると、図１６Ｂにおけるものに対応する、回折格子１６０の断面図（ｘ−ｚ平面）および見下げ図（ｘ−ｙ平面）が、図示される。少なくとも部分的に、図１８Ａおよび１８Ｂに関して上で説明されるように、第１および第２の暴露の結果、複数の異なるように配列される回折領域１６８−１ａ−１６８−１ｉおよび１６８−２ａ−１６８−２ｉを有する、液晶層１６８−１および１６８−２が、それぞれ、生成される。ゾーン１６４−１の複数の領域１６８−１ａ−１６８−１ｉのそれぞれおよびゾーン１６４−２の複数の領域１６８−２ａ−１６８−２ｉのそれぞれは、同一領域内で同一整合方向に沿って実質的に整合された液晶分子１１２を有する。したがって、ゾーンの各々は、ｚ−方向にスタックされた液晶分子のスタックを含むことを理解されたい。
（空間可変液晶材料に基づく空間可変液晶回折格子）
【０１５８】
前述で議論される種々の実施形態では、液晶分子は、光整合技法を使用して加工される。しかしながら、他の実施形態も、可能性として考えられ、これは、光整合の有無にかかわらず加工されることができる。
【０１５９】
図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態による、光整合の有無にかかわらず加工され得る、回折格子１９０の見下げ（ｘ−ｙ平面に沿って見られる）および側面（ｘ−ｚ平面に沿って見られる）図が、図示される。回折格子１９０は、周期的に反復する側方寸法または格子周期∧を有し、液晶分子１１２から形成される対応する液晶層を含む、複数の回折ゾーン、すなわち、回折ゾーン１９８−１、１９８−２、・・・および１９８−ｎを備えている。側方寸法または格子周期∧は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものに類似することができる。
【０１６０】
回折格子１９０の回折ゾーン１９８−１、１９８−２、…１９８−ｎは、それぞれ、対応する液晶層１８６−１、１８６−２、…１８６−ｎを有する。各タイプの回折ゾーンの数は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものに類似することができる。加えて、配列されるような回折ゾーンは、任意の好適な回数だけ周期的に反復することができる。回折格子１９０の液晶層１８６−１、１８６−２、および１８６−ｎの各々は、順に、それぞれ、異なるように配列される第１および第２の回折領域１８６−１Ｌおよび１８６−１Ｒ、１８６−２Ｌおよび１８６−２Ｒ、・・・ならびに１８６−ｎＬおよび１８６−ｎＲを有する。
【０１６１】
異なる液晶層１８６−１、１８６−２、および１８６−ｎは、異なるキラリティ度を有するように配列される、液晶分子１１２を有する。上で説明されるように、キラリティは、キラルピッチｐによって説明されることができ、これは、液晶分子が完全３６０°捻転を受ける距離を指し得る。キラリティはまた、捻転変形角度によって特徴付けられることができ、これは、液晶層の厚さ内で受ける液晶分子の捻転の角度である。例えば、図示される実施形態では、第１の液晶層１８６−１は、殆どまたは全くキラリティを伴わない（非常に大きいまたは無限キラルピッチｐ）、異なる方位角を有する液晶分子１１２を有する、第１および第２の回折領域１８６−１Ｌおよび１８６−１Ｒを有する。第２および第３の液晶層１８６−２および１８６−ｎは、それぞれ、実質的であって、かつ実質的に異なるキラリティ度を有する液晶分子１１２を有する、それぞれの第１／第２の回折領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒおよび１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲを有する。同様に、種々の実施形態では、それぞれ、第２およびｎ番目の液晶層１８６−２および１８６−ｎの第１および第２の回折領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒおよび１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲ内の最上液晶分子間の方位角または方位角の差異は、図１５Ａ−１５Ｃにおける回折格子１５０Ａ−１５０Ｃに関して上で説明される任意の値であることができる。
【０１６２】
いくつかの実施形態では、ゾーン内の各対の第１／第２の回折領域、例えば、ゾーン１９８−２の対の領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒ（図１９Ａ参照）およびゾーン１９８−ｎの対の領域１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲは、異なる方位角φを有するが、同一キラルピッチｐを有する、最上液晶分子を有する。いくつかの他の実施形態では、ゾーン内の対の領域は、同一方位角φを有するが、異なるキラルピッチｐを有する、最上液晶分子を有する。種々の実施形態では、ゾーン１９８−２の対の領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒおよびゾーン１９８−ｎの対の領域１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲの所与の領域内の液晶分子のキラル捻転（例えば、捻転角度または捻転変形角度）は、例えば、約＋／−４５ｏ、約＋／−９０ｏ、約＋／−１３５ｏ、または約＋／−１８０ｏであることができる。対応するキラル周期ｐは、８Ｄ、４Ｄ、または３Ｄであることができ、２Ｄは、液晶層の厚さである。
【０１６３】
例えば、図示される実施形態では、第１および第２の領域１８６−２Ｌおよび１８６−２Ｒの最上液晶分子は、それぞれ、例えば、１３５ｏおよび４５ｏの第１および第２の方位角φを有する一方、例えば、約８Ｄの第１のキラルピッチを有し、Ｄは、液晶層の厚さである。その結果、第１および第２の領域の１８６−２Ｌおよび１８６−２Ｒのそれぞれでは、最上液晶分子および最下液晶分子は、互いに対して約−４５度捻転される。加えて、図示される実施形態では、第１および第２の領域１８６−ｎＬ、１８６−ｎＲの最上液晶分子は、それぞれ、例えば、９０ｏおよび０ｏの第３および第４の方位角φを有する一方、約４Ｄの第２のキラルピッチを有し、Ｄは、液晶層の厚さである。その結果、第１および第２の領域の１８６−ｎＬおよび１８６−ｎＲのそれぞれでは、最上液晶分子および最下液晶分子は、互いに対して約−９０度捻転される。しかしながら、第１／第２の回折領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒおよび１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲの最上液晶分子の方位角φは、図１５Ａ−１５Ｃに関して上で説明されるような任意の値を有することができる。
【０１６４】
依然として、図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、各領域内の液晶分子１１２は、同一事前傾斜角度Φを有し、これは、ゼロまたはより高くあることができる。
【０１６５】
依然として、図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、異なる液晶層１８６−１、１８６−２、および１８６−ｎのデューティサイクルは、異なり得、それぞれ、約１０％〜約３０％、約３０％〜約５０％、約５０％〜約７０％、または約７０％〜約９０％であることができる。
【０１６６】
ここで図２０を参照すると、いくつかの他の実施形態による、回折格子２００の断面側（ｘ−ｚ平面）図が、図示される。明確にするために示されないが、回折格子２００は、基板と、それぞれ、対応する液晶層１９６−１および１９６−２を有する、複数の異なるように配列される回折ゾーン２０８−１および２０８−２とを備えている。回折格子２００の液晶層液晶層１９６−１および１９６−２の各々は、順に、それぞれ、複数の異なるように配列される回折領域１９６−１ａ−１９６−１ｇおよび１９６−２ａ−１９６−２ｇを有する。
【０１６７】
図１９Ａ／１９Ｂの液晶層１８６−１の液晶分子１１２と同様に、図２０に図示される液晶層１９６−１の回折領域１９６−１ａ−１９６−１ｇの液晶分子１１２は、層毎に、異なる方位角を有するが、殆どまたは全くキラリティ（非常に大きいまたは無限キラルピッチｐ）を有していない。隣接する回折領域１９６−１ａ−１９６−１ｇの方位角および他の配列は、図１９Ａ／１９Ｂに関して第１および第２の回折領域１８６−１Ｌおよび１８６−１Ｒに対して説明されるものに類似する。
【０１６８】
図１９Ａ／１９Ｂの液晶層１８６−２および１８６−ｎの液晶分子１１２と同様に、図２０に図示される液晶層１９６−２の回折領域１９６−２ａ−１９６−２ｇの液晶分子１１２は、ゾーンの長さに沿って（ｘ方向に沿って）、実質的であって、かつ実質的に異なるキラリティ度を有し、異なる方位角を有する、最上液体分子を有する。隣接する回折領域１９６−２ａ−１９６−２ｇの方位角、キラリティ、および他の配列は、第２およびｎ番目の液晶層１８６−２および１８６−ｎの第１および第２の回折領域１８６−２Ｌ／１８６−２Ｒおよび１８６−ｎＬ／１８６−ｎＲに関して説明されるものに類似する。
【０１６９】
図１９Ａ／１９Ｂおよび２０に関して上で図示されるように、捻転が液晶分子に対して誘発されるとき、結果として生じる回折格子は、屈折率および回折効率を含む、空間可変回折性質を呈することを理解されたい。いくつかの液晶分子は、炭素原子のうちの１つ以上のものを４つの異なるリガンドによって非対称的に置換することによってキラルにされることができる。他の液晶分子は、メソゲンまたは非メソゲンキラルドーパントを可変濃度で上で説明される液晶位相のうちの１つに添加することによってキラルにされることができる。実施形態によると、例えば、限定ではないが、重量比５％〜１０％を下回ってを含む、小濃度を添加することによって、キラリティ関連効果は、ドーパントの濃度に伴って増加されることができる。キラル液晶分子のいくつかの実施例は、安息香酸コレステリル、強誘電性液晶Ｎ（ｐ−ｎ−デシクロキシベンジリデン）ｐ−アミノ２−メチルブチルケイ皮酸（ＤＯＢＡＭＢＣ）、およびキラルＲ１０１１でドープされた室温ネマチックである、アキラルＭＢＢＡ（４−ブチル−Ｎ−［４−メトキシ−ベンジリデン］−アニリン）を含む。他のキラル液晶分子も、使用され得る。
【０１７０】
図２１を参照すると、いくつかの実施形態によると、光整合の有無にかかわらず加工され得る、回折格子２１０の側面図（ｘ−ｚ平面に沿って見られる）が、図示される。回折格子２１０は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものと類似様式において周期的に反復する側方寸法または格子周期∧を有する、複数の回折ゾーン、すなわち、回折ゾーン２１８−１、２１８−２、・・・および２１８−ｎを備えている。回折格子の２１０の回折ゾーン２１８−１、２１８−２、・・・および２１８−ｎは、それぞれ、対応する液晶層２０６−１、２０６−２、・・・および２０６−ｎを有する。各タイプの回折ゾーンの数は、図１０Ａ−１０Ｃに関して上で説明されるものに類似することができる。加えて、配列されるような回折ゾーンは、任意の好適な回数だけ周期的に反復することができる。
【０１７１】
回折格子２１０では、異なる液晶層２０６−１、２０６−２、および２０６−ｎは、異なる液晶材料から成る。特に、第１および第２の回折領域２０６−１Ｌおよび２０６−１Ｒ、２０６−２Ｌおよび２０６−２Ｒ、・・・ならびに２０６−ｎＬおよび２０６−ｎＲは、それぞれ、同一または異なる液晶分子であり得る、液晶分子２１２−１Ｌおよび２１２−１Ｒ、２１２−２Ｌおよび２１２−２Ｒ、・・・ならびに２１２−ｎＬおよび２１２−ｎＲを有する。例えば、いくつかの実装では、第１のゾーン内の領域は、第１の液晶材料を有することができ、第２のゾーン内の領域は、第１の液晶材料を有することができ、第３のゾーン内の領域は、第３の液晶材料を有することができる。他の実装では、任意の所与のゾーンは、第１の液晶材料を有する第１の領域と、第２の液晶材料を有する、第２の領域とを有することができる。故に、光学性質は、例えば、異なるレベルの同一ドーパント（または同一もしくは異なるレベルを伴う異なるドーパント）を伴う同一ホスト材料を使用して、材料の組成を変化させることによって、液晶分子の配向を変化させる必要なく、回折格子の長さに沿って変化されることができる。
【０１７２】
いくつかの実施形態では、異なるゾーンは、異なる液晶分子を有する一方、液晶配向の他の側面、例えば、上で説明されるような傾斜角度、方位角、およびキラリティは、異なるゾーン間で類似または同一である。いくつかの他の実施形態では、異なるゾーンは、異なる液晶分子を有する一方、種々の実施形態の文脈によって前述で議論されるように、同様に異なる、液晶配向の他の側面、例えば、傾斜角度、方位角、およびキラリティを有する。
【０１７３】
堆積の間、異なる液晶材料を堆積させることによって、または堆積後、液晶材料を修正することによって、局所複屈折は、異なるゾーンを横断して異なるように制御されることができる。種々の実施形態では、個々のゾーンの複屈折は、約０．０５〜約０．１５、例えば、約０．１０、約０．１５〜約０．２５、例えば、約０．２、および約０．２５〜約０．３５、例えば、約０．３であることができる。
（追加の実施例）
【０１７４】
第１の実施例では、回折格子は、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを含む。回折格子は、加えて、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を含む。異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
【０１７５】
第２の実施例では、第１の実施例の回折格子において、光学性質は、屈折率、吸収係数、回折効率および複屈折のうちの１つ以上のものを含む。
【０１７６】
第３の実施例では、第１−第２の実施例のいずれかの回折格子において、異なる液晶層の各々は、複数の異なるように配列された領域を有し、異なるように配列された領域は、互いに対して異なるように整合された液晶分子を有する。
【０１７７】
第４の実施例では、第１−第３の実施例のいずれかの回折格子において、異なる回折ゾーンの各々はさらに、基板と対応する液晶層との間に挿入された整合層を備え、異なる回折ゾーンと基板との間の異なる整合層は、同一材料組成から形成され、該異なる整合層は、液晶分子を異なる回折ゾーン内で異なるように整合させる。
【０１７８】
第５の実施例では、第１−第４の実施例のいずれかの回折格子において、液晶分子は、伸長され、伸長方向に沿って整合されたカラミチック液晶分子を備えている。
【０１７９】
第６の実施例では、第１−第５の実施例のいずれかの回折格子において、異なる液晶層は、第１の領域と、第２の領域とを含み、第１の領域の液晶分子は、第１の整合方向に沿って整合され、第１の整合方向は、基準方向に対して第１の整合角度を形成し、第２の領域の液晶分子は、第２の整合方向に沿って整合され、第２の整合方向は、基準方向に対して第２の整合角度を形成し、第２の整合角度は、第１の整合角度と異なる。
【０１８０】
第７の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１の液晶層の第１の領域の液晶分子および第２の液晶層の対応する第１の領域の液晶分子は、実質的に同一の整合角度を有する。
【０１８１】
第８の実施例では、第７の実施例の回折格子において、第１の液晶層の第２の領域の液晶分子および第２の液晶層の対応する第２の領域の液晶分子は、異なる整合角度を有する。
【０１８２】
第９の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１の液晶層の第１の領域の液晶分子および第２の液晶層の対応する第１の領域の液晶分子は、実質的に異なる整合角度を有し、第１の液晶層の第２の領域の液晶分子および第２の液晶層の対応する第２の領域の液晶分子は、異なる整合角度を有する。
【０１８３】
第１０の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１の領域と第２の領域との間の側方幅の比率は、異なるゾーン間で実質的に同一である。
【０１８４】
第１１の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１の液晶層の第２の領域の液晶分子および第２の液晶層の第２の領域の液晶分子は、実質的に同一の整合角度を有し、第１の領域と第２の領域との間の側方幅の比率は、異なる回折ゾーン間で実質的に異なる。
【０１８５】
第１２の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１の液晶層の第２の領域の液晶分子および第２の液晶層の第２の領域の液晶分子は、異なる整合角度を有し、第１の領域と第２の領域との間の側方幅の比率は、異なる回折ゾーン間で実質的に異なる。
【０１８６】
第１３の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１および第２の整合角度は、基板の主要表面と垂直な平面内で、それぞれの整合方向と主要表面との間で測定される、事前傾斜角度である。
【０１８７】
第１４の実施例では、第６の実施例の回折格子において、第１および第２の整合角度は、基板の主要表面と平行な平面内で、かつそれぞれの整合方向と主要表面と平行な基準方向との間で測定される、方位角である。
【０１８８】
第１５の実施例では、第３の実施例の回折格子において、異なる液晶層は、第１の領域と、第２の領域とを含み、第１の領域の液晶分子は、複数の第１の整合方向に沿って整合され、基準方向に対して複数の第１の整合角度を形成し、第２の領域の液晶分子は、複数の第２の整合方向に沿って整合され、基準方向に対して複数の第２の整合角度を形成する。
【０１８９】
第１６の実施例では、第１−第１５の実施例のいずれかの回折格子において、回折格子は、透明基板を有する透過回折格子である。
【０１９０】
第１７の実施例では、第１−第１６の実施例のいずれかの回折格子において、異なる回折ゾーンは、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なる材料組成を備えている。
【０１９１】
第１８の実施例では、回折格子を加工する方法は、基板を提供することを含む。方法は、加えて、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを提供することを含む。方法はさらに、液晶分子を備えている複数の異なる液晶層を基板にわたって形成することを含み、異なる液晶層は、異なる回折ゾーンに対応し、異なる液晶層を形成することは、液晶分子を異なるように整合させ、それによって、光回折に関連付けられた異なる光学性質を異なる回折ゾーンに提供することを含む。
【０１９２】
第１９の実施例では、第１８の実施例の方法において、方法はさらに、液晶層を形成することに先立って光整合層を基板上に形成することと、光整合層を照明し、それによって、整合層上に形成される液晶分子を異なる回折ゾーン内で異なるように整合させることとを含む。
【０１９３】
第２０の実施例では、第１９の実施例の方法において、光整合層を形成することは、ポリイミド、線形偏光光重合性ポリマー、アゾ含有ポリマー、クマリン含有ポリマー、ケイ皮酸含有ポリマー、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、材料を堆積させることを含む。
【０１９４】
第２１の実施例では、第１９のおよび第２０の実施例のいずれかの方法において、方法はさらに、光整合層を形成すること後、液晶層を形成することに先立って、グレースケールマスクを使用して、異なる回折ゾーンを異なる用量の光に暴露することを含む。
【０１９５】
第２２の実施例では、第１９−第２１の実施例のいずれかの方法において、異なる液晶層を形成することは、複数の異なるように配列された領域を異なる液晶層内に形成することを含み、異なるように配列された領域は、互いに対して異なるように整合された液晶分子を有する。
【０１９６】
第２３の実施例では、第２２の実施例の方法において、異なる液晶層を形成することは、第１の領域および第２の領域を形成することを含み、第１の領域を形成することは、第１の領域の液晶分子を第１の整合方向に沿って整合させ、基準方向に対して第１の整合角度を形成することを含み、第２の領域を形成することは、第２の領域の液晶分子を第２の整合方向に沿って整合させ、基準方向に対して第２の整合角度を形成することを含み、第２の整合角度は、第１の整合角度と異なる。
【０１９７】
第２４の実施例では、第２３の実施例の方法において、第１および第２の領域の液体分子を整合させることは、異なる用量の光に反比例する、それぞれの第１および第２の整合角度を形成することを含む。
【０１９８】
第２５の実施例では、第１８−第２４の実施例のいずれかの方法において、複数の異なる液晶層を形成することは、キラルドーパントを液晶層に添加することによって、キラリティを液晶分子のうちの少なくともいくつかに誘発することを含む。
【０１９９】
第２６の実施例では、第１８の実施例の方法において、異なる液晶層を形成することは、第１の領域および第２の領域を液晶層内に形成することを含み、第１の領域の液晶分子は、複数の第１の整合方向に沿って整合され、基準方向に対して複数の第１の整合角度を形成し、第２の領域の液晶分子は、複数の第２の整合方向に沿って整合され、基準方向に対して複数の第２の整合角度を形成する。
【０２００】
第２７の実施例では、回折格子は、液晶層が光を回折するように構成されるように、側方方向に延び、周期的に反復する側方寸法、厚さ、および屈折率を有するように配列される、複数の連続的な液晶層を含む。液晶層の液晶分子は、連続的な液晶層が回折効率に勾配を伴って光を回折するように構成されるように、側方方向に沿って、異なる液晶層内で異なるように配列される。
【０２０１】
第２８の実施例では、第２７の実施例の回折格子において、液晶層は、第１の領域と、第２の領域とを有し、連続的な液晶層は、複数の第１の領域および複数の第２の領域が側方方向に交互するように配列される。
【０２０２】
第２９の実施例では、第２８の実施例の回折格子において、第１の領域内の液晶分子は、実質的に同一の整合配向を有する一方、第２の領域内の液晶分子は、実質的に異なる整合配向を有する。
【０２０３】
第３０の実施例では、頭部搭載型ディスプレイデバイスは、光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームを含む。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、フレーム上に配置されたディスプレイを含み、該ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を備え、該１つ以上の導波管は、該透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の該部分のビューを提供するように、透明であり、ユーザが該頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置され、該ディスプレイはさらに、１つ以上の光源と、光源からの光を該１つ以上の導波管の中に結合する、または光を該１つ以上の導波管から外に結合させるように構成される、少なくとも１つの回折格子とを備えている。回折格子は、光回折のために適合された格子周期に対応する周期的に反復する側方寸法を有する複数の異なる回折ゾーンを含む。回折格子は、加えて、異なる回折ゾーンに対応する複数の異なる液晶層を含み、異なる液晶層は、異なる回折ゾーンが光回折に関連付けられた異なる光学性質を有するように、異なるように整合された液晶分子を有する。
【０２０４】
第３１の実施例では、第３０の実施例のデバイスにおいて、１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを含む。
【０２０５】
第３２の実施例では、第３０−第３１の実施例のいずれかのデバイスにおいて、ディスプレイは、画像コンテンツを複数の深度平面上においてユーザに提示するように、光をユーザの眼の中に投影するように構成される。
【０２０６】
第３３の実施例では、第３０−第３２の実施例のいずれかの回折格子において、光学性質は、屈折率、吸収係数、回折効率および複屈折のうちの１つ以上のものを含む。
【０２０７】
上で説明される実施形態では、拡張現実ディスプレイシステム、より具体的には、空間可変回折格子は、特定の実施形態に関連して説明される。しかしながら、実施形態の原理および利点は、空間可変回折格子の必要性を伴う、任意の他のシステム、装置、または方法のために使用されることができることを理解されたい。前述では、実施形態のうちの任意の１つの任意の特徴は、実施形態のうちの任意の他の１つの任意の他の特徴と組み合わせられる、および／またはそれで代用されることができることを理解されたい。
【０２０８】
文脈によって別様に明確に要求されない限り、説明および請求項全体を通して、単語「〜を備えている」、「〜を備えている」、「〜を含む」、「〜を含んでいる」、および同等物は、排他的または包括的意味とは対照的に、包含的意味、すなわち、「限定ではないが〜を含む」の意味で解釈されるべきである。単語「結合される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。同様に、単語「接続される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。加えて、単語「本明細書で」、「上で」、「下記で」、「後述の」、「前述の」、および類似意味の単語は、本願で使用されるとき、全体として本願を指すものとし、本願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈によって許容される場合、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語はまた、それぞれ、複数形または単数形を含み得る。単語「または」は、２つ以上のアイテムのリストを参照する場合、本単語は、以下の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムの全て、およびリスト内のアイテムの任意の組み合わせを網羅する。
【０２０９】
さらに、とりわけ、「〜できる（ｃａｎ）」、「〜し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「〜し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「〜し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒ  ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ  ａｓ）」、および同等物等、本明細書で使用される条件文は、別様に具体的に記載されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態がある特徴、要素、および／または状態を含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることが意図されることを理解されたい。したがって、そのような条件文は、概して、特徴、要素、および／もしくは状態が、１つ以上の実施形態に対していかようにも要求されること、またはこれらの特徴、要素、および／もしくは状態が任意の特定の実施形態において含まれる、もしくは実施されるべきかどうかを示唆することを意図されない。
【０２１０】
ある実施形態が、説明されたが、これらの実施形態は、一例としてのみ提示され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書に説明される新規装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態で具現化され得る。さらに、本明細書に説明される方法およびシステムの形態における種々の省略、代用、および変更が、本開示の精神から逸脱することなく成され得る。例えば、ブロックが、所与の配列で提示されるが、代替実施形態は、異なるコンポーネントおよび／または回路トポロジを用いて類似機能性を実施し得、いくつかのブロックは、削除される、移動される、追加される、細分割される、組み合わせられる、および／または修正され得る。これらのブロックの各々は、種々の異なる方法で実装され得る。上で説明される種々の実施形態の要素および作用の任意の好適な組み合わせが、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。上で説明される種々の特徴およびプロセスは、互いに独立して実装され得る、または種々の方法で組み合わせられ得る。本開示の特徴の全ての好適な組み合わせおよび副次的組み合わせが、本開示の範囲内であるように意図される。
【図１】
2019537061.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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